多旋翼无人机机架结构拓扑优化及极限工况校核
发布时间：2022-01-11 11:03
近年来,随着相关控制算法和微电子技术等理论的发展,多旋翼无人机成为科研工作者研究的热点。目前,碳纤维复合材料是多旋翼无人机机架结构较为常用的材料,碳纤维复合材料生产成本高,加工难度大,后期维修困难。为了降低多旋翼无人机机架结构的加工制造难度、生产和后期维修成本,可以通过使用易加工设计的铝合金作为机架材料,增强机架结构设计的合理性,从而增强多旋翼无人机的飞行性能、制造成本以及产品的竞争力。首先,本文对多旋翼无人机机架结构进行了总体设计。对机架的基本布局、动力系统的选配、最小轴距的计算和重心位置的选择进行了归纳总结。为设计一款合理的机架结构奠定基础,为概念设计阶段初始设计域的建模提供数据参考。其次,利用惯性释放拓扑优化方法,在概念设计阶段根据已经确定的各项参数和边界条件拓扑得到一款材料分布更合理的八旋翼机架结构,然后对机架进行强度校核,根据校核结果对机架结构进行改进、修正,从而得到一个相对最优的机架结构。接下来进行详细设计,考虑加工工艺、制造、运输和维修等因素,对概念机架结构进行详细设计,将机架结构分解成多个零部件,为了实现将零部件连接组装成机架,再对连接各部分的连接件进行设计。最后对详细...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人机分类多旋翼无人机主要由三个部分组成，分别为：控制系统、动力系统和机身主体
第1章绪论3图1.2飞行姿态从上述对多旋翼无人机飞行姿态的介绍可知，相比于传统的固定翼无人机，多旋翼无人机有着一个天然的优势：多旋翼无人机因其可以垂直起降[9]，不需要像固定翼无人机那样对起飞和降落的场地有着严格的要求标准，可以更好地适应复杂的作业环境。而且相比于固定翼无人机较大的翼展，多旋翼无人机体积较小，可以适应在狭小复杂的环境中穿梭[10,11]；在操纵性能方面上，多旋翼无人机也更容易操作控制，此外多旋翼无人机飞行方式更灵活，不仅可以向前飞行，还可以倒飞、侧飞和超低空飞行，甚至可以定点悬停，这都是固定翼无人机所比拟不了的[12]。与单旋翼无人直升机相比，由于单旋翼无人直升机特殊的单旋翼结构设计，单旋翼无人直升机通过复杂的传动、减速和控制结构来满足其飞行性能。所以与无传动、减速和控制结构的多旋翼无人机相比，多旋翼无人机的机械结构简单、安装拆卸容易、维护保养方便、维护成本更低、操纵难度更孝工作可靠性更高[13,14]。根据以上的对比，多旋翼无人机的主要优点是：操纵简单、拆卸容易、维护成本低、起降方便、可靠性高，更重要的是可以近距离接近目标而不会出现人员伤亡。据统计中国每年因近距离的人工喷洒农药导致中毒的人数10万余人，其中约20%的人员抢救无效死亡。由于中国农民的农田分散且面积小的特点，使用通用飞机喷洒农药
第1章绪论51.2国内外研究现状19世纪初多旋翼飞行器首次问世，Breguet兄弟研制了第一架多旋翼飞行器，被称为旋翼机1号，如图1.3所示，可以看出多旋翼飞行器为四旋翼，机架布局为“十”型，机架使用了钢管材质通过焊接的方式连接在一起[31]。1907年9月，“旋翼机1号”承载着驾驶员首次升空，这也是多旋翼机的首次成功。这架四旋翼飞行器未能实现稳定飞行，但是对多旋翼飞行器的发展扩展了方向[32]。1956年，在纽约制造了一架载人式四旋翼飞行器，该飞行器配备两个发动机，通过改变每个螺旋桨的转速产生动力控制飞行器的飞行姿态[33]。但是飞行性能依旧较差稳定性也不高，实用性也不能满足当时的需要，因此之后的几十年里多旋翼无人机的发展几乎停滞。图1.3旋翼机1号直到近十几年来，随着相关的控制理论、空气动力学理论和微电子技术等学科的发展，多旋翼无人飞行器的研究再次成为科研爱好者的研究热点，并且有了极大的提高。美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室，实现了四旋翼无人机机群的编队协同飞行，不仅飞行稳定，而且能够壁障和目标识别，如图1.4所示。该团队采用红外传感器和摄像头来协助惯性测量单元进行飞行器姿态和位置信息的获取，取得了良好的控制效果[34]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]四旋翼无人机机身静力学分析[J]. 周鸿超,祁宇明,林伟民,王鹏,侯择尧,权利红,薛强. 机械研究与应用. 2018(05)
[2]某型系留无人机复合材料机体结构优化设计与分析[J]. 冯琨程,高九州. 玻璃钢/复合材料. 2018(10)
[3]基于SLM工艺的航空铝合金支架的轻量化设计[J]. 王旭葆,曲波. 机械设计. 2018(10)
[4]多旋翼消防无人机设计探究[J]. 郐士超,王文青. 消防科学与技术. 2018(06)
[5]四旋翼无人机轻量化结构改进设计[J]. 钟建卫,钟小华,卢明辉,李志佳,董惠鹏. 中国新技术新产品. 2018(10)
[6]基于惯性释放的某型无人直升机有限元分析[J]. 路林华,姜年朝,王克选,张逊. 计算机辅助工程. 2018(02)
[7]重载四旋翼无人机结构优化设计与强度计算[J]. 刘峰,喻辉,高鸿渐,代海亮,马佳. 航空工程进展. 2018(01)
[8]航空铝合金加工工艺的研究现状及发展方向[J]. 周双巢,张天意,赵瑞宁,田光哲. 科技创新与应用. 2018(05)
[9]基于离散元的西北旱区农田土壤颗粒接触模型和参数标定[J]. 石林榕,赵武云,孙伟. 农业工程学报. 2017(21)
[10]基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析[J]. 刘峰,高鸿渐,喻辉,代海亮. 玻璃钢/复合材料. 2017(04)
博士论文
[1]共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究[D]. 彭程.吉林大学 2015
[2]微型飞行器中的若干动力学问题研究[D]. 胡宇群.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]无人机安全飞行风险评估研究[D]. 高俊杰.中国民用航空飞行学院 2018
[2]微型碳纤维四旋翼无人机结构设计与优化[D]. 高鸿渐.中国民用航空飞行学院 2018
[3]四旋翼无人机飞行控制策略研究与优化[D]. 赵维斌.山西大学 2017
[4]无遮挡航拍四旋翼飞行器结构设计与仿真研究[D]. 魏文菲.中北大学 2017
[5]重载四旋翼民用无人机设计与强度计算[D]. 喻辉.中国民用航空飞行学院 2017
[6]四旋翼飞行器设计与性能分析[D]. 周凯.沈阳航空航天大学 2017
[7]变总距变转速四旋翼无人机设计技术研究[D]. 林子国.南京航空航天大学 2016
[8]中大口径线膛火炮榴弹触发引信冲击环境和动态特性研究[D]. 张金鹏.南京理工大学 2016
[9]带悬挂吊舱的八旋翼特种无人机动力学建模与控制[D]. 李伟荣.浙江大学 2015
[10]基于土壤力学模型的深松铲有限元分析与结构优化[D]. 龚皓晖.西华大学 2013
本文编号：3582669
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无人机分类多旋翼无人机主要由三个部分组成，分别为：控制系统、动力系统和机身主体
第1章绪论3图1.2飞行姿态从上述对多旋翼无人机飞行姿态的介绍可知，相比于传统的固定翼无人机，多旋翼无人机有着一个天然的优势：多旋翼无人机因其可以垂直起降[9]，不需要像固定翼无人机那样对起飞和降落的场地有着严格的要求标准，可以更好地适应复杂的作业环境。而且相比于固定翼无人机较大的翼展，多旋翼无人机体积较小，可以适应在狭小复杂的环境中穿梭[10,11]；在操纵性能方面上，多旋翼无人机也更容易操作控制，此外多旋翼无人机飞行方式更灵活，不仅可以向前飞行，还可以倒飞、侧飞和超低空飞行，甚至可以定点悬停，这都是固定翼无人机所比拟不了的[12]。与单旋翼无人直升机相比，由于单旋翼无人直升机特殊的单旋翼结构设计，单旋翼无人直升机通过复杂的传动、减速和控制结构来满足其飞行性能。所以与无传动、减速和控制结构的多旋翼无人机相比，多旋翼无人机的机械结构简单、安装拆卸容易、维护保养方便、维护成本更低、操纵难度更孝工作可靠性更高[13,14]。根据以上的对比，多旋翼无人机的主要优点是：操纵简单、拆卸容易、维护成本低、起降方便、可靠性高，更重要的是可以近距离接近目标而不会出现人员伤亡。据统计中国每年因近距离的人工喷洒农药导致中毒的人数10万余人，其中约20%的人员抢救无效死亡。由于中国农民的农田分散且面积小的特点，使用通用飞机喷洒农药
第1章绪论51.2国内外研究现状19世纪初多旋翼飞行器首次问世，Breguet兄弟研制了第一架多旋翼飞行器，被称为旋翼机1号，如图1.3所示，可以看出多旋翼飞行器为四旋翼，机架布局为“十”型，机架使用了钢管材质通过焊接的方式连接在一起[31]。1907年9月，“旋翼机1号”承载着驾驶员首次升空，这也是多旋翼机的首次成功。这架四旋翼飞行器未能实现稳定飞行，但是对多旋翼飞行器的发展扩展了方向[32]。1956年，在纽约制造了一架载人式四旋翼飞行器，该飞行器配备两个发动机，通过改变每个螺旋桨的转速产生动力控制飞行器的飞行姿态[33]。但是飞行性能依旧较差稳定性也不高，实用性也不能满足当时的需要，因此之后的几十年里多旋翼无人机的发展几乎停滞。图1.3旋翼机1号直到近十几年来，随着相关的控制理论、空气动力学理论和微电子技术等学科的发展，多旋翼无人飞行器的研究再次成为科研爱好者的研究热点，并且有了极大的提高。美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室，实现了四旋翼无人机机群的编队协同飞行，不仅飞行稳定，而且能够壁障和目标识别，如图1.4所示。该团队采用红外传感器和摄像头来协助惯性测量单元进行飞行器姿态和位置信息的获取，取得了良好的控制效果[34]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]四旋翼无人机机身静力学分析[J]. 周鸿超,祁宇明,林伟民,王鹏,侯择尧,权利红,薛强. 机械研究与应用. 2018(05)
[2]某型系留无人机复合材料机体结构优化设计与分析[J]. 冯琨程,高九州. 玻璃钢/复合材料. 2018(10)
[3]基于SLM工艺的航空铝合金支架的轻量化设计[J]. 王旭葆,曲波. 机械设计. 2018(10)
[4]多旋翼消防无人机设计探究[J]. 郐士超,王文青. 消防科学与技术. 2018(06)
[5]四旋翼无人机轻量化结构改进设计[J]. 钟建卫,钟小华,卢明辉,李志佳,董惠鹏. 中国新技术新产品. 2018(10)
[6]基于惯性释放的某型无人直升机有限元分析[J]. 路林华,姜年朝,王克选,张逊. 计算机辅助工程. 2018(02)
[7]重载四旋翼无人机结构优化设计与强度计算[J]. 刘峰,喻辉,高鸿渐,代海亮,马佳. 航空工程进展. 2018(01)
[8]航空铝合金加工工艺的研究现状及发展方向[J]. 周双巢,张天意,赵瑞宁,田光哲. 科技创新与应用. 2018(05)
[9]基于离散元的西北旱区农田土壤颗粒接触模型和参数标定[J]. 石林榕,赵武云,孙伟. 农业工程学报. 2017(21)
[10]基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析[J]. 刘峰,高鸿渐,喻辉,代海亮. 玻璃钢/复合材料. 2017(04)
博士论文
[1]共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究[D]. 彭程.吉林大学 2015
[2]微型飞行器中的若干动力学问题研究[D]. 胡宇群.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]无人机安全飞行风险评估研究[D]. 高俊杰.中国民用航空飞行学院 2018
[2]微型碳纤维四旋翼无人机结构设计与优化[D]. 高鸿渐.中国民用航空飞行学院 2018
[3]四旋翼无人机飞行控制策略研究与优化[D]. 赵维斌.山西大学 2017
[4]无遮挡航拍四旋翼飞行器结构设计与仿真研究[D]. 魏文菲.中北大学 2017
[5]重载四旋翼民用无人机设计与强度计算[D]. 喻辉.中国民用航空飞行学院 2017
[6]四旋翼飞行器设计与性能分析[D]. 周凯.沈阳航空航天大学 2017
[7]变总距变转速四旋翼无人机设计技术研究[D]. 林子国.南京航空航天大学 2016
[8]中大口径线膛火炮榴弹触发引信冲击环境和动态特性研究[D]. 张金鹏.南京理工大学 2016
[9]带悬挂吊舱的八旋翼特种无人机动力学建模与控制[D]. 李伟荣.浙江大学 2015
[10]基于土壤力学模型的深松铲有限元分析与结构优化[D]. 龚皓晖.西华大学 2013
本文编号：3582669
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3582669.html
