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某型無人機有限元分析及試驗驗證

發布于:2023-04-13 21:57
有限元分析

      沖擊是指在遠短于系統固有振動周期的時間內,系統內部的部件狀態或外部的環境發生突然變化。強沖擊會使系統功能失效或損壞,研究沖擊具有重要意義。
      為了確定某型無人機結構在回收著陸時的劇烈沖擊作用下的動態響應,保證結構設計的安全合理性,有必要對該型無人機機體結構進行沖擊下的動響應有限元分析。本文將運用結構動響應分析的有限元法,對某型無人機回收著陸機體結構的動響應進行計算分析。
      無人機的回收方式多種多樣,回收技術仍在不斷改進之中。傘降回收多用于中小型無人機,技術比較成熟,對操作人員要求不高,回收安全可靠。
      某型無人機采用回收傘來減緩其下降速度,接近地面時的下降速度約為6m/s,在機體腹部裝有滑橇,滑橇的主要部件為緩沖器,用于吸收無人機在著陸過程中與地面撞擊的能量。
      全機共布置43個點,其中機身11個點、機翼20個點、平尾8個點、垂尾4個點,如圖所示。本試驗采用美國PCBM356A16三向加速度傳感器,在右機翼翼尖、左右平尾中部及機身中部4處各裝置1只傳感器。無人機分別從距地面290mm、440mm、740mm3種不同高度墜撞地面,3種高度的落地墜撞速度分別為2.4m/s、2.9m/s、3.8m/s。圖為7測點3.8m/s速度下的加速度時間歷程,求得加速度峰峰值。在MSC.PATRAN中建立某型無人機的響應有限元模型,使用剛性平面來模擬地面,使用4個彈簧單元模擬緩沖器來連接機體與剛性平面。有限元模型共7511個節點,為了計算方便,提高計算效率,采用機體固定、剛性平面相對機體運動的方式模擬沖擊過程。有限元模型如圖所示。
      對某型無人機與地面碰撞進行數值仿真,得到機上典型位置的加速度時間歷程,碰撞速度分別為2.4m/s、2.9m/s及3.8m/s。將仿真結果與試驗結果進行對比,并在此基礎上對某型無人機的回收沖擊響應進行分析,得到機上典型位置的加速度時間歷程。計算時未考慮碰撞阻尼,在仿真結果的加速度時間歷程曲線上表現為加速度幅值沒有隨著時間衰減。這是由于加入碰撞阻尼后會給計算帶來很大困難,計算效率很低。而本文主要關心的是碰撞初期的加速度值,忽略阻尼不會影響其結果。表3種不同著陸碰撞速度時仿真與測試結果(峰峰值)。由表中可看出,數值仿真與試驗加速度峰峰值結果有較良好的一致性,從而說明有限元模型是能表征真實機體的動態特性。
      某型無人機回收時用回收傘減緩下降速度,著陸時與地面撞擊速度約為6m/s,使用MSC.Dytran對著陸碰撞進行仿真,圖為機上主要位置點加速度的時間歷程。經分析可知,某型無人機著陸時最大受到向上75g加速度的沖擊。
      本文通過有限元程序的數值模擬仿真,結合試驗分析,對無人機結構的沖擊動力學問題進行研究,對3種墜撞速度的機體沖擊反應進行仿真,將其結果與沖擊測試結果進行比較,一致性較高,并在此基礎上預測分析了回收沖擊響應,為下一階段該型無人機回收沖擊強度校核提供了可靠依據。
      進行回收沖擊響應分析時,未考慮緩沖器的阻尼,導致仿真分析結果中加速度幅值是發散的。今后須對緩沖器進一步研究,使仿真結果更能反映真實情況。


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