無人機(jī)是一種可以通過遙控或程序控制飛行的無人駕駛飛行器,在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來,因多旋翼無人機(jī)具有機(jī)動靈活、可以垂直起降、體積小等優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)。但多旋翼無人機(jī)在低空低速的飛行環(huán)境中,存在易受紊流風(fēng)場影響的問題,降低了飛行性能和飛行品質(zhì)。目前,紊流風(fēng)場環(huán)境下多旋翼無人機(jī)穩(wěn)定性研究主要集中在無人機(jī)飛控算法方面,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的研究較少,為減小紊流風(fēng)場的不利影響,彌補(bǔ)控制算法的不足,提高飛行性能和飛行品質(zhì),在此以六旋翼無人機(jī)為例,結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和有限元分析理論進(jìn)行優(yōu)化研究。主要研究工作如下:(1)首先對六旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及飛行原理進(jìn)行了研究,根據(jù)起飛質(zhì)量、飛行速度等相關(guān)數(shù)據(jù),確定了六旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)的總體性能參數(shù)。然后用Solidworks建立了六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維模型,根據(jù)牛頓-歐拉定理建立了動力學(xué)模型,為后期的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化奠定了仿真基礎(chǔ)。(2)對旋翼空氣動力學(xué)和紊流風(fēng)場的特性進(jìn)行了分析,分別建立了紊流風(fēng)場下六旋翼無人機(jī)動力學(xué)模型與紊流風(fēng)場模型。并使用線性濾波法對紊流風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了紊流風(fēng)速時(shí)程、紊流風(fēng)壓和紊流風(fēng)速功率譜密度圖像,同時(shí)獲得了風(fēng)載荷數(shù)據(jù)。通過對模擬譜和目標(biāo)譜進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可行性,為后續(xù)分析和研究提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。(3)在建立六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有限元模型基礎(chǔ)上,對紊流風(fēng)場環(huán)境下六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足無人機(jī)以最大飛行速度在四級風(fēng)力環(huán)境中飛行的設(shè)計(jì)要求,證明機(jī)身整體結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)冗余;對六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)固有頻率集中在9Hz~67Hz,紊流風(fēng)場頻率集中在0Hz~10Hz,兩種頻率交叉,極有可能發(fā)生共振;由四級風(fēng)力得到的隨機(jī)載荷用于隨機(jī)振動分析,結(jié)果表明機(jī)身整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于機(jī)身材料PA66和碳纖維T300的疲勞極限,不會發(fā)生疲勞損傷和破壞。(4)針對紊流風(fēng)場下六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冗余和容易產(chǎn)生共振的問題,進(jìn)行優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)。先對機(jī)身整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,然后分別對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各個組成部件進(jìn)行尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化,通過靈敏度分析確定最佳設(shè)計(jì)變量,以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和位移為約束,以質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,最后根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行重新建模,并對優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在無人機(jī)以最大飛行速度于四級風(fēng)力環(huán)境中飛行的條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),由結(jié)果分析可知無人機(jī)起飛質(zhì)量減輕,負(fù)載能力提高,機(jī)身結(jié)構(gòu)振動減小,紊流風(fēng)場的不利影響降低,飛行性能和飛行品質(zhì)得到改善。
【學(xué)位單位】：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V279
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 課題的背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國內(nèi)外無人機(jī)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國內(nèi)外無人機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀
        1.2.3 國內(nèi)外紊流風(fēng)場研究現(xiàn)狀
    1.3 主要研究內(nèi)容
第二章 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與建模
    2.1 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
        2.1.1 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
        2.1.2 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局
    2.2 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物理模型建立
        2.2.1 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型分析
        2.2.2 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型建立
        2.2.3 六旋翼無人機(jī)總體性能參數(shù)確定
    2.3 六旋翼無人機(jī)數(shù)學(xué)模型建立
        2.3.1 坐標(biāo)系的建立
        2.3.2 六旋翼無人機(jī)飛行原理
        2.3.3 動力學(xué)模型建立
    2.4 本章小結(jié)
第三章 六旋翼無人機(jī)所處紊流風(fēng)場環(huán)境的分析與建模
    3.1 旋翼空氣動力學(xué)分析
    3.2 紊流風(fēng)場的特性分析
    3.3 紊流風(fēng)場模型研究
        3.3.1 紊流風(fēng)場理論研究
        3.3.2 紊流風(fēng)場模型的選擇與建立
    3.4 紊流風(fēng)場的數(shù)值模擬
    3.5 紊流風(fēng)場數(shù)值模擬結(jié)果分析
    3.6 本章小結(jié)
第四章 紊流風(fēng)場環(huán)境下六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)分析
    4.1 有限元分析理論
    4.2 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析
        4.2.1 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型的建立
        4.2.2 紊流風(fēng)場環(huán)境下六旋翼無人機(jī)飛行工況分析與仿真計(jì)算
    4.3 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
        4.3.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)與邊界條件確定
        4.3.2 自由模態(tài)分析結(jié)果與討論
        4.3.3 紊流風(fēng)場環(huán)境下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受迫振動分析
    4.4 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動分析
    4.5 本章小結(jié)
第五章 紊流風(fēng)場環(huán)境下無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
    5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和方法
        5.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論
        5.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
    5.2 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
        5.2.1 機(jī)身整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
        5.2.2 機(jī)臂結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化
        5.2.3 中心連接板結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化
        5.2.4 起落架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化
    5.3 無人機(jī)優(yōu)化仿真驗(yàn)證
        5.3.1 優(yōu)化前后靜力學(xué)分析結(jié)果對比分析
        5.3.2 優(yōu)化前后模態(tài)分析結(jié)果對比分析
        5.3.3 優(yōu)化前后隨機(jī)振動分析結(jié)果對比分析
        5.3.4 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析
    5.4 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
申請學(xué)位期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

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本文編號：2847793