CN103847950B - 一种有人直升机改无人直升机的仪器支架结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有人直升机改无人直升机的仪器支架结构。仪器支架包含6种零件：地板，面板，支撑板，支撑杆，加强框和地板撑杆。地板作为仪器支架的第一层，面板作为仪器支架的第二层，支撑板和支撑杆用来联接第一层和第二层，加强框即可加强机头蒙皮又可加强第一层和第二层的联接，地板撑杆用来联接仪器支架与中部构架。地板和面板采用复合材料层合板加筋结构，筋条有T型和L型两种，层合板与筋条之间采用z‑pin技术增强联接。支撑板采用层合板结构，支撑板与面板和地板之间用铆钉连接。地板撑杆呈Y字形，Y形地板撑杆的存在可以较好地提高仪器支架一、二阶模态频率。本发明的仪器支架结构有较好的刚度、强度和振动特性，且质量较轻。

Description

一种有人直升机改无人直升机的仪器支架结构

技术领域

本发明涉及一种有人直升机改无人直升机的仪器支架结构，属于航空航天技术领域。

背景技术

随着飞行控制技术的发展，无人飞行器的发展越来越快，无人飞行器的用途也越来越广泛。无人直升机在无人飞行器中有着重要的地位，在农业作业，军事侦察，协同作战等领域有着广泛的用途。相对于有人直升机，无人直升机在同等起飞重量的情况下航时更长，可以在更加严苛的条件下执行任务，人员的伤耗更小。现今有大量早期型号的有人直升机处于被新型号直升机完全替代的边缘，这些直升机大多仍处安全寿命期内，且质量仍非常好，这些直升机通过改型仍将会发挥巨大的作用，其中，有人直升机改型为无人直升机就是一种早期型号直升机非常好的改型方案。

无人直升机的仪器设备犹如人的大脑，仪器支架作为安装仪器的结构就显得尤为重要。在有人直升机改无人直升机的过程中，仪器支架既要利用原有结构的特点，又要充分利用空间安装仪器设备。原有人直升机的座位较中部构架(中部构架为结构改型中完整保留的部件)宽，这将影响无人直升机的宽度，在改型过程中将完全拆除有人直升机的座位及地板，仪器支架将设计在与原座位相近的位置。仪器支架设计时将控制其宽度，为机头及机身的改型设计做好铺垫。由于仪器对振动比较敏感，特别是当仪器支架与整机固有频率接近时，发生共振，仪器有被振坏的风险，一旦仪器设备被振坏，无人直升机的控制也就失效。所以仪器对振动环境的要求是严苛的，必须要使仪器支架的频率错开整机固有频率，避免共振发生。仪器支架与中部构架(该直升机的主承力结构)有9个连接点，其中5个直接连接点，4个间接连接点，仪器支架与中部构架的间接联接通过地板撑杆来完成，为了更好的提高仪器支架整体的稳定性和振动特性，地板撑杆采用Y字形杆结构。为了充分利用空间，设备支架设计成两层，上层和下层，上层由复合材料层合板面板和纵横筋组成，下层由复合材料层合板地板和纵横筋组成，两层之间由支撑板和支撑杆连接，为了两层仪器之间接线方便，上层复合材料层合板面板中部开了一个口。机头的蒙皮结构采用圆锥薄壁加筋复合材料层合板结构，综合考虑气动阻力和结构特点选择合理的圆锥母线，因此相应的仪器支架加强框将设计成一定直径的圆环结构，直径的大小与圆锥母线轨迹相关。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：充分利用机头内空间来安装仪器设备；适当减小仪器支架的宽度，为机头和机身的改形作铺垫；仪器支架第一层和第二层的结构设计及第一层面板与第二层地板之间的联接；仪器支架的减重；仪器支架与中部构架之间的连接固定；通过结构设计增加仪器支架一、二阶模态频率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：仪器支架设计为上、下两层；仪器支架的宽度等于中部构架的宽度；仪器支架的第一层地板和第二层面板都采用复合材料层合板加筋结构，地板与面板之间用支撑板和支撑杆联接；仪器支架与中部构架之间通过直接连接点和间接连接点相联；仪器支架采用Y字形撑杆来增加仪器支架一、二阶模态频率。

本发明是一种有人直升机改无人直升机仪器支架结构，仪器支架(1)包含：地板(图2)，面板(图3)，支撑板(图4)，支撑杆(图1)，加强框(图1)和地板撑杆(图5)。地板作为安装仪器的第一层，其整体形状为L型，主要三个部分：第一部分与直升机纵向轴平行，第二部分与纵向轴成一个较小角度，第三部分与纵向轴成一个较大角度。第三部分有个开口，开口的原因是其位置有旋翼控制舵机。地板第一部分的背面有一些纵横加强筋，如图6所示，总共8根加强筋，其中有4根横向加强筋和4根纵向加强筋，4根横筋(筋条1、2、3和4)都是T型筋，4根纵筋(筋条5、6、7和8)都是L型筋，5号筋和6号筋相对，7号筋和8号筋相对。仪器支架与中部构架有9个连接点，其中5个直接连接点(D1、D2、D3、D4和D5)，4个间接连接点(D6、D7、D8、D9)，仪器支架与中部构架的间接联接通过地板撑杆来完成。面板作为仪器支架的第二层，为了第一层仪器与第二层仪器之间接线方便，在面板的中间开了一个长方形的口，面板的下面有一些纵横加强筋，如图7所示，总共11根加强筋，其中有5根横向加强筋和6根纵向加强筋，5根横筋(筋条1、2、3、4和5)中，1号筋为L型筋，2、3、4和5号筋为T型筋，6根纵筋(筋条6、7、8、9、10和11)中，6、8、9和11号筋为L型筋，7、10号筋为T型筋。支撑板包含三部分：内框，腹板和外框。支撑板共有6个，支撑板在面板与地板之间，对面板既有上下的固定约束，也有纵向和横向的约束。支撑板的上面与面板通过铆钉连接，支撑板的下面与地板的第二部分用铆钉连接，支撑板的前面与地板的第三部分用铆钉连接。支撑板的卡槽与面板的L型横筋相配合。支撑杆用来联接仪器支架第一层和第二层，共有12根，其中有10根支撑杆与面板垂直，另2根支撑杆与面板不垂直。加强框有2个，加强框即可加强机头蒙皮，又可加强仪器支架第一层与第二层的联接。加强框1和加强框2都是圆环状，它们的圆心的连线与面板平行，它们的直径与机头圆锥母线的轨迹相关，如图8所示，图中曲线为机头圆锥蒙皮的圆锥母线，虚线a所在的位置为加强框1所在的位置，虚线a的长度为加强框1的直径，虚线b所在的位置为加强框2所在的位置，虚线b的长度为加强框2的直径。地板的2号横筋和面板的3号横筋与加强框1连接，地板的4号横筋和面板的5号横筋与加强框2连接。地板撑杆有两根，每根地板撑杆呈Y字型，每根撑杆与地板有两个连接点，与中部构架底部有一个连接点，地板撑杆的存在对仪器支架一、二阶模态频率有较大影响。

有限元数值模拟得到仪器支架没有地板撑杆时的一阶模态频率为18.05赫兹，主要是仪器支架的前端(包括地板前端和面板前端)绕纵向轴的顺时针扭转，扭转的同时带动前端向上翘起。二阶模态频率为21.52赫兹，主要是仪器支架的前端绕纵向轴的逆时针扭转，扭转的同时带动了前端向上翘起。仪器支架加地板撑杆之后，仪器支架一阶模态频率为29.75赫兹，主要为仪器支架前部上下振动，加撑杆之后的一阶模态频率比加撑杆前增加了64.8％。二阶模态频率为34.54赫兹，主要是仪器支架前部绕纵向轴顺时针扭转，加撑杆之后的二阶模态频率比加撑杆前增加了60.5％。地板撑杆加分支后(地板撑杆呈Y字形)，仪器支架一阶模态频率为34.12赫兹，主要是加强框前后摆动和仪器支架前部上下振动，加撑杆分支后的组合体一阶模态频率比加撑杆前增加了89.03％，比加撑杆后增加了14.69％。二阶模态频率为38.05赫兹，主要是仪器支架前部绕纵向轴顺时针扭转，加撑杆分支后的组合体二阶模态频率比加撑杆前增加了76.81％，比加撑杆后增加了10.2％。针对这三种情况列了表格对比，如表1所示。

表1 三种情况下(无撑杆，有撑杆，撑杆加分支)仪器支架一、二阶模态频率

优点及功效

本发明是一种有人直升机改无人直升机的仪器支架结构，其优点及功效是：1、仪器支架分为两层，可以较好的利用机头的空间。2、Y字型地板撑杆可以很好的增大仪器支架的一阶、二阶模态频率。3、仪器支架结构的强度和刚度均符合设计要求。4、仪器支架上的载荷可以较好的传递到中部构架上。5、仪器支架大部分采用复合材料层合结构，质量较轻。

附图说明

图1为仪器支架整体图。

图2为地板正面。

图3为面板正面。

图4为支撑板。

图5为地板撑杆。

图6为地板背面。

图7为面板背面。

图8为机头圆锥蒙皮的圆锥母线。

图9为中部构架。

图10为仪器支架与中部构架配合之后的整体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

见图1，本发明是一种有人直升机改无人直升机的仪器支架结构。仪器支架包含：地板，面板，支撑板，支撑杆，加强框和地板撑杆。地板作为仪器支架的第一层，面板作为仪器支架的第二层，支撑板和支撑杆用来联接第一层和第二层，加强框即可加强机头蒙皮又可加强第一层和第二层的联接，地板撑杆用来联接仪器支架与中部构架。

图2为地板正面图，图6为地板背面图。地板采用复合材料层合板加筋结构，地板与筋条之间采用z-pin技术来增强联接。地板作为安装仪器的第一层，其整体形状为L型，主要三个部分：第一部分与直升机纵向轴平行，第二部分与纵向轴成一个较小角度，第三部分与纵向轴成一个较大角度。第三部分有个开口，开口的原因是其位置有旋翼控制舵机。地板第一部分的背面有8根纵横加强筋，其中有4根横向加强筋和4根纵向加强筋，4根横筋(筋条1、2、3和4)都是T型筋，4根纵筋(筋条5、6、7和8)都是L型筋，5号筋和6号筋相对，7号筋和8号筋相对。仪器支架与中部构架有9个连接点，其中5个直接连接点(D1、D2、D3、D4和D5)，4个间接连接点(D6、D7、D8和D9)。D1、D2、D3和D4四个连接点共一条直线(该直线与直升机横向平行)，这四个连接点是仪器支架与中部构架横向杆之间的连接点；D5为仪器支架与中部构架支撑点的连接点；仪器支架与中部构架的间接连接通过地板撑杆来完成。地板的最大横向宽度与中部构架的宽度相等。

图3为面板正面图，图7为面板背面图。面板采用复合材料层合板加筋结构，面板与筋条之间采用z-pin技术来增强联接。面板作为仪器支架的第二层。为了第一层与第二层仪器之间接线方便，在面板的中间开了一个长方形的口，面板的背面共有11根加强筋，其中有5根横向加强筋和6根纵向加强筋，5根横筋(筋条1、2、3、4和5)中，1号筋为L型筋，2、3、4和5号筋为T型筋，6根纵筋(筋条6、7、8、9、10和11)中，6、8、9和11号筋为L型筋，7、10号筋为T型筋。

图4为支撑板。支撑板采用复合材料层合板结构，整体成型。仪器支架共有6个支撑板，每个支撑板包含三部分：内框，腹板和外框。支撑板位于面板与地板之间，对面板既有上下的固定约束，也有纵向和横向的约束。支撑板的上面与面板通过铆钉连接，支撑板的下面与地板的第二部分用铆钉连接，支撑板的前面与地板的第三部分用铆钉连接。支撑板的卡槽与面板的L型横筋相配合。

图5为地板撑杆。地板撑杆使用空心圆钢杆。地板撑杆有两根，地板撑杆呈Y字型，每根撑杆与地板有两个连接点，与中部构架底部有一个连接点，Y形地板撑杆的存在可以较好地提高仪器支架一、二阶模态频率。

图8为机头圆锥蒙皮的圆锥母线，加强框1和2如图1所示。虚线a所在的位置为加强框1所在的位置，虚线a的长度为加强框1的直径，虚线b所在的位置为加强框2所在的位置，虚线b的长度为加强框2的直径。地板的2号横筋和面板的3号横筋与加强框1连接，地板的4号横筋和面板的5号横筋与加强框2连接。

图9为中部构架，图10仪器支架与中部构架配合之后的整体图。中部构架为改型中不能变动的结构，是直升机的主承力结构。中部构架的横向杆与仪器支架地板有4个连接点(连接点D1、D2、D3和D4)，中部构架的支撑点与仪器支架地板的D5相连，中部构架底部通过两根地板撑杆与地板联接(地板上对应的连接点为D6、D7、D8和D9)。

Claims (5)

1.一种有人直升机改无人直升机仪器支架结构，其特征是：该结构包含6种零件：地板(1)，面板(2)，支撑板(3)，支撑杆(4)，加强框(5)和地板撑杆(6)；地板(1)作为仪器支架的第一层，面板(2)作为仪器支架的第二层，支撑板(3)和支撑杆(4)用来联接第一层和第二层，加强框(5)既可加强机头蒙皮又可加强第一层和第二层的联接，地板撑杆(6)用来联接仪器支架与中部构架。

2.根据权利要求1所述的有人直升机改无人直升机仪器支架结构，其特征在于：地板(1)和面板(2)都采用复合材料层合板加筋结构，层合板与筋条之间采用z-pin技术来增强联接；地板(1)第一部分的背面有8根纵横加强筋，其中有4根横向加强筋和4根纵向加强筋，4根横筋都是T型筋，4根纵筋都是L型筋；面板(2)的背面共有11根加强筋，其中有5根横向加强筋和6根纵向加强筋，5根横筋中，有1根筋为L型筋，有4根筋为T型筋，6根纵筋中，有4根筋为L型筋，2根筋为T型筋。

3.根据权利要求1所述的有人直升机改无人直升机仪器支架结构，其特征在于：支撑板(3)采用复合材料层合板结构，整体成型；支撑板(3)的数量总共有6个；支撑板(3)包含三部分：内框，腹板和外框；支撑板(3)位于面板(2)与地板(1)之间，对面板(2)既有上下的固定约束，也有纵向和横向的约束；支撑板(3)的上面与面板(2)通过铆钉连接，支撑板(3)的下面与地板(1)的第二部分用铆钉连接，支撑板(3)的前面与地板(1)的第三部分用铆钉连接，支撑板(3)的卡槽与面板(2)的L型横筋相配合。

4.根据权利要求1所述的有人直升机改无人直升机仪器支架结构，其特征在于：地板撑杆(6)呈Y字型，每根地板撑杆(6)与地板(1)有两个连接点，与中部构架底部有一个连接点，Y形地板撑杆(6)的存在可以较好地提高仪器支架一、二阶模态频率，相对没有地板撑杆(6)时，Y形地板撑杆(6)使仪器支架一阶模态频率提高了89.03％，二阶模态频率提高了76.81％。

5.根据权利要求1所述的有人直升机改无人直升机仪器支架结构，其特征在于：机头的蒙皮结构采用圆锥薄壁加筋复合材料层合板结构，机头的环筋与仪器支架的加强框(5)为同一结构；加强框(5)是具有一定直径的圆环结构，直径的大小与机头蒙皮的圆锥母线(综合考虑气动阻力和结构特点选择合理的圆锥母线)轨迹相关。