载重四旋翼农用无人机翼臂有限元分析

2020-08-26袁志华

机电工程技术 2020年7期

张伟，王玲，张浩，袁志华

（河南农业大学机电工程学院，郑州 450002）

0 引言

模拟仿真是一种预测产品在实际使用中可能出现哪些问题的方法，设计人员通过这种手段可以大大缩短设计周期，从而减少一款产品从构想到实际投产要花费的时间。有限元分析软件ANSYS Workbench是一款操作方便、功能强大的仿真模拟软件，通过仿真模拟可以在计算机上对指定材料、不同结构的无人机进行数据计算，从而发现可能存在的问题并及时解决。

本文通过模拟四旋翼农药喷洒无人机在悬停状态下翼臂的受力情况，分析不同壁厚下翼臂的应力分布情况，利用在高应力区域安装紧固件的形式提高翼臂强度，在碳纤维管强度满足应力要求的前提下选用壁厚小的型号来降低无人机制造成本。

1 四旋翼无人机

1.1 结构组成

四旋翼飞行器即是有4个螺旋桨的飞行器，这4个螺旋桨对称分布在机身前、后、左、右4个方位的翼臂（支架）上，4 个螺旋桨同处一个高度，且4个螺旋桨的结构、直径、螺距均相等，4 个同规格电机对称布置在4 个翼臂的顶端，4 个翼臂的中间位置用来安放飞行控制器及其他外部设备[1-4]。简易结构如图1所示。

图1 无人机结构

四旋翼农药喷洒无人机在搭载必要飞行控制设备的同时，将药箱安装在了底部支架上，从而充分利用了有限的、可以搭载外部设备的空间，同时力学分布更加合理，飞行更加平稳。

1.2 工作原理

四旋翼飞行器的4 个电机是整个无人机的动力来源，也是调整运动模式的主要部件，其上的飞行控制装置依靠调整4个电机转速来改变升力的大小，升力的变化使得飞行器呈现不同的飞行姿态。

螺旋桨在旋转的同时电机会受到一个反作用力（反扭矩），因此电机会有一个向相反方向旋转的趋势[5-8]。四旋翼飞行器为了避免上述这种反作用力使得机身不断自旋，它的相邻两个螺旋桨的旋转方向被设置为相对反转。

2 有限元分析法

本文利用ANSYS Workbench 计算应力、形变时采用了有限元法，所谓有限元，就是把一个大的结构合理地划分为有限个被定义为单元的小型区域，在每一个小型区域中理想地假定结构的形变与应力都是简单的，因此各小型区域内的形变量和应力都能够简单地通过计算机求解出来，从而能够得到整个结构的变形和应力[7-9]。

3 四旋翼植保无人机的有限元分析

3.1 建立有限元实体模型

四旋翼农药喷洒无人机的三维模型利用SolidWorks 建立，由于是针对无人机结构的力学分析，同时为了方便导入Workbench，在建立模型时简化了部分结构的建模，省略了部分零件的装配（如药箱、喷管、喷头、电机、电路板等）。

3.2 有限元分析过程

3.2.1 确定分析类型

此无人机翼臂的力学分析是以无人机悬停于空中为前提进行的，故视为静力学分析。

3.2.2 选取单元类型

用ANSYS Workbench 分析三维模型，单元类型由系统默认选取Solid186实体单元，这里不做特殊选择。

3.2.3 导入三维模型

整个无人机模型共有237个零件，702处连接，计算量过大无法保证运算精度，经多次修改试验，简化了无人机下部多处连接及药管绑缚支架；为保证Workbench 能正确识别SolidWorks 三维模型，建模时各零部件及装配体需用英文命名，在保存装配体时选择Parasolid（*.x-t）格式保存，双击StaticStructural选项，点击Browse导入参数化实体模型[10]。

3.2.4 选取材料类型

无人机螺旋桨、翼臂、机身壳体选用碳纤维，机架部分选用铝、连接件三通管选用铝合金，为防止生锈，螺栓、螺母、螺钉选用不锈钢。

在Workbench平台右键Engineering Data，点击Edit进入材料添加界面，Structural Steel 是默认材料，添加材料时右键空白处，在弹出的对话框中选择Engineering Data source，这时可在材料库中选取需要添加的材料类型。

3.2.5 划分网格

Divide&Conquer（分解克服）是Workbench内核应用程序进行网格划分的逻辑方式，选用自动划分的方法对无人机整体进行网格划分，然后选中局部零件（翼臂）进行精确划分[10]。单击结构树中的mesh，调整Relevance（相关性）到-100（Relevance 值可设置在-100～100 之间；-100 倾向于网格划分高速度，100 倾向于网格划分高精度），整个无人机由200多个实体零部件构成，进行整体力学分析对电脑配置要求极高，为减少计算时间选取Relevance 值偏向高速度-100。右键 mesh 点击 insert-sizing 设置 Element Size 为 0.05 m 细化翼臂的网格划分。

3.2.6 设置边界条件

边界条件包含了载荷类型与位移约束两方面内容。

（1）施加载荷

设置载荷大小和方向并选择作用位置，给无人机施加一个重力；考虑到无人机若处于运动状态会受到阻力等影响，故在4个翼臂末端马达上分别施加最大100 N向上的浮力。

（2）固定约束

对于模型实体，施加固定约束可以限制其在X、Y、Z 方向的移动，当约束设置在壳或梁上时还能限制其绕3 个轴转动。这里在Contact Tool 中插入Status 定义接触状态，在Static Structural 中插入Fixed Support 固定住两处底架，此时无人机相当于处在悬停状态，为了得到极限状态下翼臂的受力情况，此时给翼臂施加的向上载荷要比实际值大。

3.2.7 计算求解

在结构树中右键Solution，选择Total Deformation、Equivalent Elastic Strain、Equivalent Stress，选中翼臂重复上述操作；1.5 mm 厚度碳纤维管已用于现有农药喷洒无人机，计算厚度1.5 mm翼臂整体变形图、等效应力图作为参考。

翼臂整体变形图如图2 所示。单独调出翼臂等效应力图如图3所示。厚度1.5 mm下臂的最大变形量为0.61 mm，最小变形量为0.07 mm，无明显变形；最大应力为103 MPa，最小应力为0.05 MPa。

图2 厚度1.5 mm翼臂整体变形

图3 厚度1.5 mm翼臂等效应力

已知碳纤维管的抗压承载力可达600 MPa，由许用应力计算得：

取 n＝3.5，可得碳纤维管的许用应力[σ]＝171 MPa。故1.5 mm厚度碳纤维管符合无人机使用要求。

修改无人机模型翼臂厚度重复上述操作得到1 mm厚度翼臂整体变形图如图4 所示，等效应力如图5 所示。可得厚度1 mm 下臂的最大变形量为0.76 mm，最小变形量为0.07 mm，无明显变形；最大应力为130 MPa，最小应力为0.06 MPa。故1 mm厚度碳纤维管符合使用要求。重复上述步骤得到0.5 mm厚度翼臂整体变形图如图6 所示，等效应力如图7 所示。可得厚度1 mm 下臂的最大变形量为1.1 mm，最小变形量为0.07 mm，无明显变形；最大应力为149 MPa，最小应力为0.18 MPa。故0.5 mm厚度碳纤维管符合使用要求。