某型无人直升机机身框架断裂分析及优化计算

河南科技Henan Science and Technology 机械与动力工程总第804期第10期2023年5月无人机机翼模态分析与结构优化设计廖耀青（浙江安防职业技术学院，浙江温州325016）摘要：【目的】为避免无人机飞行中出现严重的气动弹性问题，针对无人机机翼刚度分布设计不合理之处，开展无人机机翼模态分析与结构优化设计。

【方法】基于正交试验设计提出一种基于模态分析的机翼变截面结构布局轻量化设计研究方案。

【结果】基于无人机机翼有限元仿真模型，开展机翼约束模态仿真分析，发现机翼在翼梁、翼肋等方面需要进行尺寸优化设计，进而改善机翼刚度。

并提出一种变截面翼梁结构，通过TOPSIS方法进行排序获取了最优解。

结果表明，优化后的机翼结构质量降低34%，机翼约束模态频率得到极大改善。

【结论】通过模态分析开展无人机机翼结构优化设计，可在满足刚度合理分布的同时，大幅度降低机翼总质量。

关键词：无人机机翼；模态分析；TOPSIS；结构优化中图分类号：V279文献标识码：A文章编号：1003-5168（2023）10-0048-06 DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.010.010Modal Analysis and Structure Optimization Design of UAV WingLIAO Yaoqing(Zhejiang College of Security Technology,Wenzhou325016,China)Abstract:[Purposes]In view of the unreasonable design of the stiffness distribution of the UAV wing,in or⁃der to avoid serious aeroelastic problems in the flight of the UAV,the modal analysis and structural optimiza⁃tion design of the UAV wing were carried out.[Methods]Based on orthogonal experimental design,a light⁃weight design scheme of wing variable cross-section structure layout based on modal analysis was proposed. [Findings]Based on the finite element simulation model of the UAV wing,the wing constraint modal simula⁃tion analysis was carried out.It was found that the wing needed to be optimized in terms of wing beam and wing rib,which then improves the wing stiffness.On the other hand,a variable cross-section wing beam structure is proposed,and the optimal solution is obtained by TOPSIS method.The results show that the con⁃strained modal frequency of the optimized wing structure is greatly improved while the mass is reduced by 34%.[Conclusions]The optimization design of UAV wing structure through modal analysis can greatly re⁃duce the total mass of the wing while satisfying the reasonable distribution of stiffness.Keywords:UAVwing;modalanalysis;TOPSIS;structural optimization0引言无人机作为一个新兴产品，因其具有强大的机动性能、环境感知力等，在多个领域呈现出巨大的应用前景，如其广泛应用于航拍、环境检测、城市管理等。

某无人直升机机身框架动力学计算与试验研究
谢勤伟;姜年朝;周光明;张逊;王克选;张志清
【期刊名称】《噪声与振动控制》
【年(卷),期】2012(032)004
【摘要】建立某无人直升机机身框架的动力学有限元模型,计算得到前六阶固有频率和振型,与模态试验结果相比较,误差小于3％,验证了有限元模型的正确性,表明该有限元模型能准确地反映该无人直升机框架的结构动力学特性.有限元计算的机身框架固有频率值避开了旋翼、尾桨、发动机主通过频率值,满足动力学设计要求.这种有限元计算、试验验证以及模型修改相结合的动力学分析方法,能保证框架固有特性计算的精确,也为无人直升机其它结构的动力学建模提供借鉴.
【总页数】4页(P34-36,120)
【作者】谢勤伟;姜年朝;周光明;张逊;王克选;张志清
【作者单位】总参六十所,南京210016;总参六十所,南京210016;南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016;南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016;总参六十所,南京210016;总参六十所,南京210016;总参六十所,南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;V214.1+2
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某型飞机舱盖吊挂螺栓断裂故障模拟分析摘要针对某型飞机座舱盖吊挂螺栓断裂故障情况，根据螺栓的受力状态，对舱盖吊挂螺栓的受载情况进行了模拟计算分析，并按螺栓的实际安装形式进行模拟验证，真实模拟了故障的情况。

关键词吊挂螺栓；断裂试验；有限元；断裂分析0 引言某型飞机做座舱盖应急抛放系统试验中，后舱盖的吊挂形式。

在进行吊挂时，后舱盖右侧后端的吊挂螺栓断裂，断裂部位在Φ9过渡到Φ6区域。

断裂后，为确定断裂属性，按照故障分析方法，对断裂螺栓做材料特性和断口分析，材料性能指标合格，组织正常，属大应力断裂。

本文根据吊挂螺栓断裂情况，对舱盖吊挂螺栓的承载能力进行了计算分析，并通过对螺栓进行断裂试验情况，对计算分析结果进行了验证。

1 座舱盖吊挂螺栓的属性及载荷分析吊挂螺栓材料为30CrMnSiA，其材料属性为：σb=1180MPa，E=196000MPa，μ=0.33。

螺栓Φ6断裂处的剖面特性为：A=28.27mm2，J=63.62mm4 。

根据座舱盖应急抛放系统试验吊挂图，做座舱盖吊挂时载荷分析有限元计算模型，计算模型。

吊挂螺栓断裂前，在座舱盖吊挂载荷计算模型中，将配重185kg 折算为1850N向上的作用力，并将1～4号螺栓固定，进行有限元模拟计算，得到4个螺栓的受力情况见表1。

计算坐标系按机体坐标系，即飞机逆航向为X轴正向；垂直翼面向上为Y轴正向；Z轴正向由右手定则确定。

从表1计算，得到螺栓平均承载642.6 N。

2号吊挂螺栓断裂后，在座舱盖吊挂载荷计算模型中，将配重185Kg折算为1850N向上的作用力，并将1、3和4号螺栓固定，进行有限元模拟计算，得到4个螺栓的受力情况见表2。

表2 断裂后4个吊挂螺栓的受力情况（单位：N）从表2可以看出，当2号螺栓断裂后，由于钢索的松弛，3号螺栓已不受力，实际上只有1号和4号螺栓受力。

2 座舱盖吊挂螺栓有限元分析按照螺栓实际几何尺寸建立有限元模型，有限元模型见图1；根据螺栓在结构上的固定形式，将螺栓断面附近固支，并螺栓在Φ9过渡到Φ6的凸台处的受挤压面施加适当的约束，见图4。

航空器机身结构优化设计与强度分析一、引言在现代工程设计中，航空器在空气动力学和结构力学要求下，对其机身结构的优化设计和强度分析显得尤为重要。

机身结构是航空器的基础，影响着飞行的安全性、经济性和可靠性，对于实现安全航行和节能减排等目标起着不可替代的作用。

本文将从航空器机身结构的优化设计和强度分析两个方面，对此进行详细的介绍。

二、航空器机身结构的优化设计（一）结构优化设计的概念结构优化设计是指在现有的设计要求和条件下，通过结构参数的调整和优化设计手段，使得设计目标得到更好的满足和实现。

在航空器的结构设计中，优化设计可以帮助设计师更好地满足设计要求和条件，使得机身结构更加轻巧、坚固和经济。

（二）优化设计的方法1.参数优化设计：该方法是在给定的设计参数范围内，通过调整参数值，使得设计目标最优化的过程。

该方法适用于具有明确约束条件和参数层次结构明确的结构设计。

2.建模优化设计：该方法是基于有限元分析的结构建模，通过对有限元模型的优化设计，使得模型的性能最优化，从而达到结构的优化设计的目的。

该方法适用于更加复杂的结构设计。

3.拓扑优化设计：该方法是基于去除冗余材料的方法，通过对模型的截面和内部结构进行优化设计，使得设计的结构最轻、坚固和经济。

该方法适用于结构形态灵活，模型复杂的结构设计。

（三）结构优化设计实例以A320机身结构设计为例，通过拓扑优化设计方法，将原设计的重量降低12%以上，同时保证航空器的强度和刚度。

在优化设计中，对机身进行了拓扑优化设计和参数优化设计的组合，将机身分解为多个子系统，如前机身、中机身、后机身。

在经过优化设计后，模型的重量大大减轻，整体性能也得到了极大的提升。

三、航空器机身强度分析（一）强度分析的概念：航空器机身强度分析是指在满足设计要求和条件的前提下，通过对整体结构和材料进行强度校核和有限元分析，确定结构的破坏模式和破坏路径，以及对结构进行必要的强度校验和合理的改进措施的过程。

linkappraisement （1）=x b -x a ，L 2=x e -x f ，L 3=x g -x h ，L 3 （3） （4）b2=d 1，z e1-z e2=d 2，z h1-z h2=d 3，z 中国直升机设计研究所图1 短翼结构展开图中国科技信息2021年第2期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2021◎航空航天2）参数约束条件短翼危险剖面分为4个，其中剖面2－4处均有挂点，挂载物1、2、3质量分别为m1、m2、m3，每个挂点受载载荷为F ij（i=2，3，4；j=x，y，z），三点坐标分别为（a i，b i，c i）（i=2，3，4）。

各挂点离剖面中心的垂向距离分别为D2、D3、D4。

各剖面强度条件为：σij＜[σ]，τi＜[τ]。

（7）（8）（9）其中i=j=1，2，3，4，F1x=F1y=F1z=0。

优化求解实例建立优化设计数学模型后，选用Matlab来进行求解：设计实例的已知条件及要求已知x b=890m m，y c=y4=300m m，k1=k2=k3=100m m，y b=y1=0m m，z a1=800m m，d1=400m，d2=350mm，d3=300mm，d4=250mm，，，，D2=D3=300mm，D4=200mm，F2=F3=F4=（1000，1000，10000），许用应力分别为[σ]=2MPa，[τ]=1MPa。

要求使短翼结构的重量最小即体积最小，建立目标函数，进行优化设计。

2）建立目标函数及参数约束条件将已知的条件参数代入到之前的优化设计数学模型中得到：求x a与x c目标函数：minf（x）=min（s）=188600-（2600x c）/3-（3100x a）/3（10）其中约束条件如下：（11）（12）（13）利用Matlab软件进行求解求解过程如图4所示：编程并运行得到优化结果，如下：x a=570mm，x c=700mm此时最大应力σmax=1.987MPa，τmax=0.448MPa根据以上求解结果可知最优解为：S=690333mm2通过对比分析，在每减轻重量1%的同时，结构强度降低6%～8%。

航空航天工程中的结构优化技术及案例分析航空航天工程的发展对结构优化技术提出了更高的要求。

结构优化是一种通过改变结构形态和材料布局来达到最优效果的设计方法。

在航空航天工程中，结构优化技术的应用可以提高飞行器的性能、减少重量和成本，并增强结构的可靠性和安全性。

本文将深入探讨航空航天工程中的结构优化技术，并通过案例分析进行详细说明。

一、航空航天工程中的结构优化技术1. 结构优化的基本原理结构优化的基本原理是通过数值模型和优化算法来寻找最优设计方案。

数值模型使用有限元分析等方法对结构进行建模，并在此基础上进行设计优化。

优化算法可以采用遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等，通过迭代过程不断改变设计变量以寻找最优解。

2. 结构优化的设计变量在航空航天工程中，结构优化的设计变量通常包括结构的几何形状、材料属性和加载条件等。

通过改变这些设计变量的取值范围来寻找最佳设计方案。

例如，在飞机机翼的结构优化中，设计变量可以包括翼展、弦长、材料厚度等。

3. 结构优化的约束条件结构优化中存在一些约束条件，如受力平衡、位移限制、应力约束等。

这些约束条件约束了结构的设计范围，使得最终设计方案符合工程实际要求。

在飞机机翼优化中，约束条件可以包括最大应力不超过材料极限、振动频率在合理范围内等。

二、航空航天工程中的结构优化案例分析1. 飞机机身结构优化飞机机身是航空器结构中最重要的组成部分之一。

在设计中，需要考虑机身的刚度和重量等因素。

通过结构优化技术，可以在满足强度要求的前提下，减少机身的重量。

一种常用的优化方法是选择合适的材料和设计变量，使得机身在承受载荷时变形最小化，从而达到最优设计效果。

2. 空间载人器结构优化空间载人器在发射和返回过程中面临极端环境和高度危险性。

为了保证载人航天器的安全和可靠性，结构优化技术在设计中起到关键作用。

例如，为了减少重量和提高强度，在载人航天器的设计中，可以采用材料复合化技术和结构形状优化等方法，以提高载人航天器的整体性能和安全性。

飞行器机身结构的强度与刚度优化设计随着航空工业的发展和飞行器运输需求的增加，飞行器机身结构的强度与刚度优化设计变得尤为重要。

合理的结构设计可以提高飞行器的性能表现、降低重量和减少能量消耗。

本文将探讨飞行器机身结构的强度与刚度优化设计的关键因素，并提出一种有效的设计方法。

1. 强度与刚度的意义飞行器机身的强度与刚度是指机身在受到外力作用时的抗变形和抗损坏能力。

强度和刚度的提高可以增加飞行器整体的稳定性和安全性，以应对复杂的外部环境和各种飞行状态。

2. 关键因素（1）材料选择：优化设计的第一步是选择合适的材料。

常见的飞行器机身材料包括铝合金、碳纤维复合材料等。

不同材料的优缺点需考虑，包括强度、密度、可塑性等。

通过综合考虑这些因素，可以选择最适合的材料。

（2）结构形式：飞行器机身的结构形式对强度与刚度优化设计有着重要影响。

常见的结构形式包括蜂窝结构、复合壳体结构等。

选取合适的结构形式，既要考虑强度与刚度的需求，又要兼顾重量和制造成本。

（3）优化设计方法：强度与刚度优化设计中的核心是合理地分配材料和结构。

借助计算机辅助设计软件和数值分析方法，可以对现有结构进行优化，以实现最佳设计方案。

常用的方法包括有限元分析、参数化设计等。

3. 设计方法（1）有限元分析：有限元分析是一种常用的数值分析方法，可以模拟复杂结构的力学行为。

通过建立机身的有限元模型，可以进行强度和刚度的计算和分析，找到结构中的薄弱部位。

（2）参数化设计：参数化设计是指在设计过程中将设计变量参数化，通过调整参数值来改变设计方案。

通过建立参数化模型，可以遍历不同的参数组合，找到最优的设计方案。

这种方法可以节省时间和资源，并且适用于大规模设计问题。

4. 案例研究以某型客机机身的强度与刚度优化设计为例，通过有限元分析和参数化设计方法，得到了一种优化的设计方案。

结果表明，通过合理的材料选择和结构形式，可以减轻机身重量，提高机身的强度和刚度。

5. 结论飞行器机身结构的强度与刚度优化设计是航空工业中的重要研究方向。

航空器结构优化设计的案例分析在航空领域，航空器的结构设计是一项至关重要的工作。

优化航空器的结构不仅能够提高其性能和安全性，还能降低成本和能耗。

下面我们将通过几个具体的案例来深入探讨航空器结构优化设计的重要性和实现方法。

案例一：机翼结构的优化机翼是航空器产生升力的关键部件，其结构的优化对于提高飞行性能具有重要意义。

在某型客机的设计中，工程师们面临着减轻机翼重量同时保持足够强度和刚度的挑战。

最初的设计采用了传统的金属材料和结构布局，但经过分析发现，这种设计存在重量过大、空气阻力较高的问题。

为了解决这些问题，设计团队采用了先进的复合材料，并对机翼的内部结构进行了重新设计。

他们利用计算机模拟技术，对不同的复合材料铺设方案和结构形式进行了大量的仿真分析。

通过优化纤维的方向和层数，以及内部支撑结构的布局，成功地减轻了机翼的重量，同时提高了其强度和刚度。

此外，为了降低空气阻力，机翼的外形也进行了精细化的设计。

采用了更加流畅的曲线和翼梢小翼等装置，减少了气流的分离和阻力的产生。

经过这些优化措施，该型客机的燃油消耗降低了一定比例，飞行距离和载客量都得到了显著提升。

案例二：机身结构的轻量化设计机身是航空器的主体结构，承载着乘客、货物和各种设备。

在一款新型公务机的设计中，机身结构的轻量化成为了关键目标之一。

传统的机身结构通常采用铝合金材料，但为了进一步减轻重量，设计团队选择了钛合金和碳纤维复合材料的组合。

钛合金具有高强度和良好的耐腐蚀性，而碳纤维复合材料则具有轻质、高强度的特点。

在结构设计方面，采用了整体化的设计理念，减少了零部件的数量和连接点，从而降低了结构的复杂性和重量。

同时，通过优化机身的横截面形状和内部隔框的布局，提高了机身的抗弯和抗扭能力。

为了确保机身结构的安全性，设计团队进行了严格的强度和疲劳试验。

利用先进的测试设备和模拟技术，对机身在各种载荷条件下的响应进行了评估和验证。

经过多次改进和优化，最终实现了机身重量的大幅降低，同时满足了适航标准和安全性要求。

飞行器机身结构的强度与刚度优化设计方法飞行器机身结构的强度与刚度优化设计方法是航空工程中的重要研究方向之一。

为了确保飞行器在飞行过程中具有足够的强度和刚度，以及提高其飞行性能和安全性，科学家和工程师们致力于寻找高效的设计方法。

本文将介绍飞行器机身结构的强度与刚度优化设计方法，并探讨其在飞行器设计领域的应用。

一、飞行器机身结构设计的背景和挑战在飞行器的设计过程中，机身结构的强度和刚度是至关重要的指标。

机身结构必须能够承受各种外部载荷和飞行动力学力的影响，同时保持足够的刚度，以确保飞行器在高速飞行时不会发生形变和振动。

然而，机身结构的设计面临着一些挑战，例如，如何在保持足够强度和刚度的同时减少结构的重量，以提高飞行性能和降低燃料消耗。

二、飞行器机身结构的强度优化设计方法（1）材料优化选择：选择合适的材料是飞行器机身结构强度优化的第一步。

工程师们需要考虑材料的强度和刚度特性，以及材料的重量和成本。

常见的材料选择包括铝合金、复合材料和钛合金等。

通过使用高强度、低密度的材料，可以在不牺牲结构强度和刚度的前提下减轻机身结构的重量。

（2）结构优化设计：通过结构的形状、布局和连接方式等方面的优化设计，可以提高飞行器机身结构的强度。

例如，采用适当的流线型设计可以降低气动载荷，在飞行中减少结构受力；合理的加强筋和框架布局可以增加机身的承载能力；针对不同部位进行不同的连接方式选择，可以提高连接处的强度。

结构优化设计需要综合考虑飞行器的强度要求、重量要求和制造难度等因素。

三、飞行器机身结构的刚度优化设计方法（1）材料刚度选择：选择合适的材料刚度是飞行器机身结构刚度优化的关键。

对于需要较高刚度的部位，可以选择具有高模量的材料，如碳纤维复合材料。

同时，还可以采用层析布局来调整材料的刚度分布，使不同部位具有不同的刚度。

（2）结构刚度优化设计：通过在结构中添加适当的加强筋和支撑结构，可以增加飞行器机身的刚度。

此外，借助有限元分析和计算机模拟等方法，可以对机身结构进行系统地刚度优化设计。