林用小型垂直起降固定翼无人机的设计研究

发布时间：2022-04-28 20:42

　　无人机（UAV）拥有的高灵活性、轻巧性和可操控性等众多优点使其在民用和军用领域获得广泛应用,也让无人机的研制在世界范围内掀起了热潮。垂直起降技术的使用,为无人机的发展锦上添花,零距离起降的优秀表现加上固定翼长航时稳定飞行使垂直起降无人机成为当下无人机设计主流。结合无人机在林业方向的应用,考虑到林业起飞场地环境差的条件,设计一款可以实现垂直起降功能的小型固定翼无人机。无人机可搭载高清相机、传感器等设备满足日常林用任务要求。本文以提供足够有效载荷为出发点,从参数估算到整体布局结构设计分析做出详细论述,完成无人机总体结构设计。分析垂直起降无人机几种飞行模式与相应控制方案,对飞控系统提出要求,并完成机载设备设计。使用ANSYS软件完成机翼结构的静力学分析,验证设计机翼结构的可行性,分析翼梁不同分布位置对机翼结构的影响。对改进后的机翼结构进行模态分析,得到不同阶振频率与振型变化,为整机分析提供数据参数。论述流体分析设计方案,利用MRF模型方法分析滑流影响区域内螺旋桨安装位置对无人机机翼影响,从升力系数、阻力系数、升阻比、结构设计特点等角度分析无人机螺旋桨的最佳安放位置。利用Fluent对设计无人... 

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 林用垂直起降无人机的优势
    1.3 垂直起降无人机发展概况
        1.3.1 国外垂直起降无人机发展现状
        1.3.2 国内垂直起降无人机发展现状
    1.4 本文主要研究内容
2 垂直起降固定翼无人机总体设计
    2.1 设计要求
    2.2 主要参数估算
        2.2.1 起飞重量估算
        2.2.2 功重比和翼载荷估算
        2.2.3 翼型选择
    2.3 总体布局
        2.3.1 常规性布局
        2.3.2 飞翼布局
        2.3.3 鸭式布局
        2.3.4 其他布局
        2.3.5 总体布局确定
    2.4 飞机详细参数设计
        2.4.1 主机翼外形尺寸参数设计
        2.4.2 尾翼外形尺寸参数设计
        2.4.3 机身参数设计
        2.4.4 起落架参数设计
    2.5 无人机材料选择
        2.5.1 复合材料介绍
        2.5.2 复合材料力学特性
        2.5.3 复合材料强度准则
        2.5.4 复合材料确定
    2.6 无人机模型建立
    2.7 本章小结
3 垂直起降固定翼无人机控制系统设计
    3.1 垂直起降无人机飞行模式
        3.1.1 垂直起降飞行模式
        3.1.2 固定翼飞行模式
        3.1.3 垂直起飞模式转固定翼模式
        3.1.4 固定翼模式转垂直降落模式
    3.2 飞行控制系统
        3.2.1 飞行控制系统的要求
        3.2.2 飞行控制系统的主要工作原理
    3.3 动力装置设计
        3.3.1 发动机选型分析
        3.3.2 螺旋桨选型分析
        3.3.3 电池选型分析
    3.4 控制装置设计
        3.4.1 电调选型分析
        3.4.2 舵机选型分析
        3.4.3 自动驾驶仪选型分析
        3.4.4 控制器选型分析
    3.5 其他机载设备及重量统计
    3.6 本章小结
4 垂直起降无人机主要结构部件仿真分析
    4.1 结构设计原则
    4.2 机翼结构设计
        4.2.1 翼梁设计
        4.2.2 翼肋设计
        4.2.3 蒙皮设计
        4.2.4 机翼结构受力分析
    4.3 机翼有限元分析
        4.3.1 有限元软件介绍
        4.3.2 有限元计算模型化
        4.3.3 有限元模型建立
        4.3.4 接触类型定义
        4.3.5 网格划分
        4.3.6 约束与载荷定义
    4.4 机翼结构有限元求解分析
    4.5 机翼模态分析
    4.6 本章小结
5 垂直起降无人机气动特性分析
    5.1 计算空气动力学基础
        5.1.1 流体基本控制方程
        5.1.2 Spalart-Allmaras湍流模型
    5.2 气动分析方案
        5.2.1 计算方法
        5.2.2 网格划分工具
        5.2.3 气动分析工具
    5.3 前置螺旋桨在机翼安放位置的影响分析
        5.3.1 机翼螺旋桨组合前处理
        5.3.2 相关边界条件参数设置
        5.3.3 机翼仿真验证
        5.3.4 机翼气动特性分析
    5.4 整机气动特性分析
        5.4.1 模型及网格建立
        5.4.2 边界条件设定
        5.4.3 气动分析计算
    5.5 本章小结
6 垂直起降无人机性能分析
    6.1 无人机重心分析
    6.2 飞行性能
        6.2.1 最佳巡航速度
        6.2.2 最大平飞速度
        6.2.3 最小平飞速度
        6.2.4 爬升率与爬升角
        6.2.5 最大悬停时间
        6.2.6 下滑角与下滑时间
        6.2.7 续航及航程
    6.3 稳定性分析
        6.3.1 常用无人机坐标系与运动参数
        6.3.2 纵向稳定性分析
        6.3.3 横向稳定性分析
    6.4 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢
附件


【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机在农业中的应用现状与展望[J]. 陈鹏飞.  浙江大学学报(农业与生命科学版). 2018(04)
[2]国内外无人机森林防火发展趋势[J]. 白彡,邵明非,朱斌海,于淼,许心梦.  木材加工机械. 2018(03)
[3]基于非结构重叠网格的螺旋桨滑流非定常数值模拟[J]. 龚小权,马明生,张健,周乃春.  航空动力学报. 2018(02)
[4]无人机航测技术在国土资源管理中的应用[J]. 肖亮明,陈建忠.  测绘地理信息. 2017(05)
[5]无人机激光雷达与摄影测量林业应用研究进展[J]. 刘清旺,李世明,李增元,符利勇,胡凯龙.  林业科学. 2017(07)
[6]微小型电动垂直起降无人机总体设计方法及特殊参数影响[J]. 唐伟,宋笔锋,曹煜,杨文青.  航空学报. 2017(10)
[7]垂直起降无人机技术发展现状与展望[J]. 于进勇,王超.  飞航导弹. 2017(05)
[8]无人机在应对地震灾害方面的应用及发展[J]. 王林.  中国应急救援. 2016(06)
[9]无人机全复合材料机翼结构设计与试验验证[J]. 刘振东,郑锡涛,冯雁,张迪.  复合材料学报. 2016(05)
[10]升力风扇垂直起降无人机死重分析[J]. 李满,宋笔锋,华鑫,夏青.  飞行力学. 2016(01)

博士论文
[1]全复合材料无人机机翼结构优化设计[D]. 丁玲.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014

硕士论文
[1]倾转翼无人机飞控系统研究[D]. 张恒.南昌航空大学 2018
[2]机翼颤振模态分析的关键技术研究[D]. 花贞.中国民航大学 2017
[3]固定翼无人机总体设计及自主着陆控制技术研究[D]. 高丽丽.南京航空航天大学 2017
[4]复合材料无人机机翼结构的轻量化优化研究[D]. 郭学伟.江苏大学 2016
[5]森林防火小型无人机总体设计与仿真研究[D]. 杨笑天.东北林业大学 2016



本文编号：3649495