模态分析和试验技术在某型无人机设计中的应用

吴继斌，宋　军，姜年朝

(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)



模态分析和试验技术在某型无人机设计中的应用

吴继斌，宋军，姜年朝

(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)

摘要：结构的动特性是无人机关键特性，能为其回收响应分析提供重要的依据。基于有限元及试验测试技术，对某型无人机开展了模态分析，得出该型无人机的前4阶固有频率。仿真分析结果和试验测试结果相一致，为下一阶段该型无人机回收响应分析提供了可靠的依据。

关键词:无人机模态分析模态试验固有频率

0引言

随着无人机研发技术的不断进步，对无人飞行器结构系统的动态特性及可靠性的要求日益严格，从总体设计阶段开始，就要求结构系统的力学指标满足特定的要求。而建立能准确反映结构动力学特性的分析模型是复杂结构系统动态设计的前提[1-3]。多数动力分析的第一步都是进行特征值分析，计算结构的固有频率和振型[4]。结构的固有频率和振型为设计决策提供了足够的信息，如通过模态分析可以认识在不同动力响应载荷作用下，结构的动力响应是怎么样的，有助于在其他动力分析中控制计算规模[5-6]。

为了掌握某型无人机的结构动特性，为其回收响应分析提供可靠的依据，使用有限元软件对某型无人机进行模态分析，并将其固有频率及振型与试验结果进行对比，验证了仿真结果的有效性。

1某型无人机简介

某型无人机主要用作高炮及近程导弹训练、武器定型、武器校标等的空中靶标，使用双缸活塞式发动机作动力，火箭助推起飞，伞降加减震滑橇回收。机体为系统的承载体，机体结构可分为机身、机翼、平尾及垂尾等部分。

机身采用蒙皮式结构，其结构特点是没有大梁和桁条，由蒙皮、框板和隔板组成，这样的机身结构有很大的抗扭刚度，易于保持外形。机身蒙皮为复合材料，具有较高的比强度。框板用于支撑机身板件，将机身分成大小不等的设备舱，第一框安装发动机，承受较大的力量，为铝合金材料，其它各框由航空桦木层板表面贴玻纤布制成。隔板主要用于安装各机上设备，材料为航空桦木层板。

机翼是无人机的主升力面。机翼连接在机身上，其主要功用是产生无人机飞行所需的升力，保证无人机在战技术要求所规定的所有飞行状态下的飞行性能和机动性能[7-8]。机翼由上蒙皮、下蒙皮、根肋板、梢肋板及大梁和后樯组成，上、下蒙皮由高强玻璃布及蜂窝夹芯材料糊制而成。机翼大梁为盒式结构，由铝合金及航空桦木板胶合而成，是机翼的主要承力部件。机翼所受力量由机翼大梁及后樯接头传递到机身隔舱板上。机翼肋板材料为航空层板，分根肋及梢肋。

平尾及垂尾结构与机翼相似，亦由蒙皮、根肋、梁等结构件组成。平尾与机身通过前后梁结头连结。垂尾主要作用是保证无人机飞行时的航向安定性，用玻璃纤维布与机身胶结成一体。

2有限元分析

2.1建模及网格划分

实际的无人机结构较为复杂，为了便于有限元分析，对某些不参与总体受力的零件可不包含在有限元分析模型中。分析模型的简化总原则为：尽可能接近真实结构，反映实际结构传力路线、受载特点、变形情况、模态特征等。本文使用UG 建立三维几何模型如图，根据无人机机体的结构形式，将其简化为板壳结构有限元模型。板壳单元是可以承受拉、压、弯、剪的平面单元。采用Quad4四边形单元进行网格划分，共6 668个结点，7 291个单元(图1、图2)。

图1　整机三维几何模型　　图2　整机三维有限元模型

2.2材料参数选择

该无人机机体其使用了航空桦木、2Al2T4铝合金、高强玻璃纤维布、纸蜂窝等多种材料。材料参数如下所列：

1)航空桦木(正交各向异性材料，下标“L”表示顺纹方向，下标“T”表示横纹方向)

EL=11 770 MPaET=7 848 MPa

GLT=883 MPaμLT=0.08

ρ=0.8×103kg/m3

2)2A12T4

EL=70 560 MPaGLT=883 MPa

μLT=0.3ρ=2.7×103kg/m3

3)蜂窝夹芯板[(0/90°)/(±45°)/蜂窝/(±45°)/(0/90°)](上下各一层±45°，一层(0/90°)高强玻璃布)(正交各向异性材料)

EL=14 883 MPaET=14 883 MPa

G=6 649 MPaμLT=0.27

ρ=1.8×103kg/m3

4) (±45°)高强玻璃布(正交各向异性材料)

EL=10 360 MPaET=10 360 MPa

G=8 148 MPaμLT=0.47

ρ=1.8×103kg/m3

2.3分析结果

使用有限元软件对某无人机进行有限元模态分析，该型无人机的前4阶固有频率分别为：9.08 Hz、17.10 Hz、27.44 Hz及39.68 Hz。图3至图6为该型无人机前4阶模态的有限元分析结果示意图。

3试验分析

为了验证有限元分析的准确性，对该型无人机开展模态测试试验。试验得出该机型前4阶固有频率分别为：8.38 Hz、17.00 Hz、27.37 Hz及42.42 Hz。

图7至图10为该型无人机前4阶模态的试验分析结果示意图。

通过前4阶固有频率分析可知，该型无人机有限元分析模态振型与试验测试结果相符，从表1中可知仿真分析与试验测试振型频率接近，误差在工程可接受的范围之内，具有良好的一致性。

表1

固有模态频率分析结果对比/Hz

4结论

本文研究了某型无人机基于有限元及试验的模态分析技术，对某型无人机结构进行分析，建立其有限元模型，进行模态分析。通过仿真结果的前几阶固有频率和振型与振动模态试验结果比较，可知仿真值与实验测试值具有良好的一致性，说明无人机机体有限元模型能够有效反映其结构动力学特性，该模态分析的有限元分析模型和仿真分析结果可以为下阶段的回收响应分析所用。

参考文献

[1]祝小平,向锦武,张才文，等.无人机设计手册[M].北京:国防工业出版社,2007.

[2]陶梅贞.现代飞机结构综合设计[M].西安:西北工业大学出版社,2001.

[3]飞机设计手册总编委会.飞机设计手册-载荷、强度和刚度:第9册[M].北京:航空工业出版社,2001.

[4]杨剑.MD Nastran 有限元实例教程[M].北京：机械工业出版社,2007:51-70.

[5]王瑁成，邵敏.有限元法基本原理和数值方法 [M].北京:清华大学出版社,2003.

[6]郭勤涛,张令弥,费庆国.结构动力学有限元模型修正的发展——模型确认[J].力学进展,2006,36(1):36-42.

[7]Michael C.Y.Niu 著.实用飞机结构工程设计[M].程小全，译. 北京,航空工业出版社,2008:66-80.

[8]魏瑞轩,李学仁.无人机系统及作战使用[M].北京国防工业出版社,2009:52-56.

The application of modal analysis and test in the design of an unmanned aircraft

WU Jibin, SONG Jun, JIANG Nianzhao

Abstract:The dynamic characteristics are the key characteristics of the unmanned aircraft, which can provide important basis for the analysis of the recovery and response of the aircraft. Based on finite element analysis and tests, we carried out modal analysis of an unmanned aircraft, and obtained its natural frequency under the first four modes. The result of the simulation was consistent with that of the tests. This study has provided reliable basis for further analysis of the recovery and response of the unmanned aircraft.

Keywords:unmanned aircraft; modal analysis; modal test; natural frequency

收稿日期：2015-09-30

作者简介：吴继斌(1974-),男,籍贯：江苏如皋,工程师,研究方向:无人机结构设计。

中图分类号：V215.2

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0027-03