小型无人机发动机支撑系统优化设计

小型无人机发动机支撑系统优化设计

陈金峰

32126部队辽宁省沈阳市110101

摘要：随着国内航空事业的发展，飞行器结构日益向复杂化、轻量化的方向发展，这就不可避免的给飞行器动力支撑结构带来了很多难题。动力支撑结构，作为飞行器中动力源与飞行器本身的直接载体，担任着支撑动力源和传递动力的重要责任。它需要将由动力源本身所产生的振动冲击及因外界干扰而引起的振动冲击与飞行器进行隔离，以避免过大的振动冲击给飞行器的飞行带来不利影响，并尽可能将这类危害降低到最低程度。有时动力支撑动结构设计的好坏直接关系到飞行器的正常发射和安全飞行。

关键词：小型无人机；发动机；支撑系统

引言：

发动机的动态环境，即发动机在运转过程中所产生的不平衡力和不平衡力矩，会对支撑系统产生振动与冲击，并且支撑系统会将这种动力载荷直接传递到机身上，从而产生振动影响无人机的飞行和滑跑。因此，通常需要将发动机安装在橡胶减振基座上，以隔离无人机对发动机特别敏感的某些频率的振动。在许多应用情况下，如果不将发动机的某些振动频谱中的某些频率进行隔离，无人机上的某些结构往往会在这些频率内会发生共振，或者机体会产生较大的振动。设计合适的橡胶减振基座通常是一个复杂的问题，需要根据系统受力情况仔细匹配橡胶减振基座的设计、发动机运转的动态特性以及外部坏境所引起振动频率的大小。结构轻量化是飞行器设计中亘古不变的话题，对与无人机，结构质量的减轻意味着无人机飞行高度的上升或无人机有效载荷的增加。因此，以质量最轻为目标函数，满足结构不产生破坏和无人机飞行环境要求为约束条件，对发动机支撑系统中隔板和支架进行优化是具有实际意义的。

1相关领域的研究现状

1.1发动机支撑系统减振器设计

所谓发动机动力悬置就是发动机支撑系统的橡胶减振器，其主要作用体现在固定、隔离振动和限制最大位移量。其中固定就是把发动机及螺旋桨等整个动力总成进行安装定位，防止产生过大变形从而影响安装精度。隔离振动主要是将发动机所产生的振动进行衰减，这样无人机的振动和噪声情况得到了大幅度改善。限制最大位移量就是避免发动机在运转过程中产生较大位移而与周围器件发生摩擦。综合两种作用分析，固定与限制最大位移量要求橡胶减振器具有很大的刚度，而隔离振动则需要小刚度，这样两者便出现了矛后，故需要在设计过程中予以折中考虑。在最初的发动机支撑系统中，并没有橡胶减振器，而是将发动机直接与支架进行刚性连接，这样过大的振动很容易损坏支撑系统。但早期飞行器的总重量较大，振动所产生的影响不明显，随着各项性能要求提高，结构逐渐向轻量化方法发展，振动引起的问题越来越凸显，就迫使设计者采取不同的方式来解决这个问题。最开始多采用柔性体来连接发动机和支撑系统，后来逐渐采用橡胶、液压等各种结构，实现了从简单到复杂，效果也变得越来越理想。橡胶具有粘弹性特性，它既可以提供合适的弹性来缓冲振动所产生的大变形，又可以利用自身内摩擦产生能量来削弱振动。因此，设计者将它和不同材料混合在一起制成不同形式的隔振元件，取得了很好的效果。

1.2拓扑优化

结构拓扑优化是形状优化的发展，也是布局优化的一部分。在初期形状优化的发展比较迅速，取得了很多实用性成果，但当其成熟后，很多学者的深入研究就促使了拓扑优化的发展。目前拓扑优化已经成为整个结构优化设计领域内一个热点研究方向，但同时它也是比较复杂和具有挑战性。其主要是通过重新布局结构的相互联结方式，使得结构能在材料最高利用率下满足强度、位移等约束条件下，并将外部载荷合理的传递到支座上。而其中所谓的困难在于满足要求的拓扑结构形式有很多种，无法用某种表达方法来定量描述或者进行参数化，同时需要设计的区域预先也是未知的，即使设计区域给出，也无法进行合理性解释，故这些问题都增添了求解的难度。刘旺玉(华南理工大学)等人在有限元软件平台上分别对风力叶片和二维薄板进行了不同目标拓扑优化，并给出了复合材料和均匀材料结构分别在小位移和应力约束下的拓扑结构。贾海朋提出了基于平均柔顺性密度的拓扑优化方法，并建立了以最小平均柔顺性为目标函数的求解方法。左孔天以连续体为研究对象，分别对连续体拓扑优化的表达方式、连续体拓扑优化求解算法及材料差值方法进行了专题研究，在对比了拓扑优化不同表达式的基础上，建立了连续体拓扑优化的一般表达式。

2发动机支撑系统的优化设计

2.1初始设计

发动机支撑系统中隔板和支架的设计即要做到结构紧凑可靠、强度好、刚度大和安装方便，还要考虑到质量轻和合理的动态特性，使由支撑系统传递到机身上的振动冲击控制到最小。本文初始设计支撑系统支架时，釆用了飞机设计中常用的构架结构。这样即方便了安装和调试，又减轻了发动机支撑系统的重量。同时构架结构与发动机对接采用了轴向螺栓连接，方便拆装，提高了定位精度。支撑系统隔板和支架的材料选择工艺成熟、质量稳定的2A12铝，密度为2780kg/m3，弹性模量为72000MPA，泊松比为0.32。

2.2拓扑优化设计

拓扑优化设计主要运用的方法是将整体结构受力及力的传递最优问题转化为在给定的设计区域内寻求材料最佳分布的问题。对于连续体结构的拓扑优化，首先是要将其离散为不同材料密度分布进而在给定的连续区域内寻求结构中结构布局与连接方式最优化，从而使得结构能在满足位移、应力等约束条件下，将外载荷传递给下一个支撑结构，同时使结构的各种性能达到最优。变密度法是进行拓扑优化比较常用的数学模型和力学模型建立的方式，与其它方法对比而言，它能更好的诠释拓扑优化的本质，同时也充分的变现了拓扑优化的各种优势。在变密度法中求解过程中，比较常用的插值模型有两种，分别是材料属性的合理近似模型和固体各向同性惩罚微结构模型。两种插值模型的主要原理都十分接近，通过引入惩罚因子对材料中间密度值进行处理，使其向两端聚集，这样连续变量的拓扑优化模型就能很好的逼近离散变量模型，这时中间材料密度的弹性模量不会很大，对结构刚度矩阵的影响变小，同时也使得拓扑优化结果更加准确。如今变密度法在多工况应力约束下的大型复杂结构拓扑优化设计问题中取得很大成果。

2.3可制造化处理

对其进行可制造化处理，需要按照一定的步骤进行。首先棚拓扑结果去除中间密度值，并确定组成支架的数目及位置，由于优化结果和初始设计的支架有些差别，所得到最终设计方案以要把原始设计的支架作为参考方案，经过对比分析后确定支架的形状和组成杆件的数量、尺寸等参数。随后根据工艺等进行结构的进一步处理，得到支架的设计方案。最后再对设计方案进行静动力学分析以及疲劳寿命预测，验证支架设计的合理性，如果在验证时出现较大的偏差，则说明可制造处理过程有不合理的地方，但拓扑结果肯定是没问题的，因此要修正可制造处理的结果直到满足设计要求为止。经过以上步骤，最终可获得性能良好的支架。根据现有飞机发动机支架形式和原始设计方案可知，组成支架的杆件绝大部分都是圆形杆件，主要的原因是在材料截面积和壁厚相同的情况下，圆形管件的抗弯性能只是稍低于矩形管件，但其抗扭性能要优于矩形管件，所以用圆形铝构件焊接的支架具有较好的抗扭性能和强度。

3结束语

小型无人机对发动机支撑系统性能要求比较严格，其作用是将安有螺旋桨的发动机通过橡胶垫、支架、隔板连接在无人机机身上，因此发动机支撑系统直接承受动力载荷。

参考文献：

[1]季晓刚.汽车动力总成悬置研究的发展[J].汽车科技，2004

[2]武一民，陈建.车用橡胶悬置减振块的分析与研究[J].汽车研究与开发，2002