CN106339538A - 一种基于无人机的载荷舱门强度分析 - Google Patents

一种基于无人机的载荷舱门强度分析 Download PDF

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    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的载荷舱门强度分析，其特征在于:包括如下步骤：步骤1：载荷舱门有限元强度分析，对作为分析对象的复合材料结构进行几何描述，建立载荷舱门有限元模型并进行载荷舱门有限元强度分析，同时测量实机翼加速度信息以及飞机身上关键点的加速度和应变信息；步骤2：载荷舱门有限元强度分析结构以矢量形式保存，将载荷舱门应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场的形式保存显示出来，同时将测得的机翼处的加速度信息作为仿真模型的外载荷输入信息，并依此仿真出机身关键点的加速度以及应变结果；步骤3：建立拉门连接处有限元模型对重点部位进行网格细化。

Description

一种基于无人机的载荷舱门强度分析
技术领域
本发明涉及一种载荷舱门的强度分析，具体涉及一种基于无人机的载荷舱门强度分析
背景技术
无人机整机及零部件结构可靠性是无人机厂家及用户十分关心的问题，而道路可靠性试验是考察整机及零部件可靠性的重要手段。在可靠性试验方面，一般进行三种类型的试验：实际道路试验；试验场试验；室内台架试验。实际道路试验周期太长，试验场试验周期较长且重复性差，室内台架试验周期短重复性高但是设备昂贵。无人机载荷舱门所承受的载荷是随时间而变化的动态载荷，其中大部分是循环随机载荷，而动载荷会引起无人机上许多构件出现动应力，最终导致零部件的疲劳破坏。测量无人机行驶载荷有两种方法：一是测量局部应力应变，这种方法直接在零部件的高应力应变点布置应变片，测量结果可直接用于疲劳损伤的计算，但其结果不能换算到其他的零部件。二是测量无人机外部载荷，这种方法一般采用机翼传感器，通过测量作用于机翼的的载荷但较复杂且成本高。无人机的载荷舱门复合材料结构静强度分析主要采用两种方式进行：一种是粗网格有限元模型分析与局部强度校核相结合方法，这种分析模式会造成细节强度分析不准确，依靠大量试验验证，有时也进行局部结构细网格有限元分析，但局部模型的边界基本采用固支或简支，不能反映真实结构的弹性支持状态。第二种是全部采用细网格进行总体应力有限元分析，这种方法对于不复杂的小型结构还可以，但对于大型复杂的无人机结构，有限元模型单元、节点数量庞大，计算机运行困难，非线性分析、优化分析根本无法运行，很难得到重点关注部位应力分布。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是一种适用于无人机载荷舱门的复合材料强度分析的方法，目的在于提供一种基于无人机的载荷舱门强度分析，解决一种适用于无人机载荷舱门的复合材料强度分析的方法的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于无人机的载荷舱门强度分析，其特征在于:包括如下步骤：步骤1：载荷舱门有限元强度分析，对作为分析对象的复合材料结构进行几何描述，建立载荷舱门有限元模型并进行载荷舱门有限元强度分析，同时测量实机翼加速度信息以及飞机身上关键点的加速度和应变信息；步骤2：载荷舱门有限元强度分析结构以矢量形式保存，将载荷舱门应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场的形式保存显示出来，同时将测得的机翼处的加速度信息作为仿真模型的外载荷输入信息，并依此仿真出机身关键点的加速度以及应变结果；步骤3：建立拉门连接处有限元模型对重点部位进行网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，同时将实测的机身关键点的加速度以及应变信息与仿真结果进行对比；步骤4：局部有限元强度分析将步骤2获得的边界条件以位移场和力场的形式施加到拉门连接处有限元模型边界节点上，再进行进一步拉门连接处有限元强度分析，同时根据上述对比结果对仿真模型进行调整，调整好的仿真模型得出整机各个载荷舱门的应力和应变信息对零部件进行疲劳寿命分析。将重点关注部位进行网格细化，重点关注部位单元个数由1个细化为128个，节点个数由4个增加为153个，边界节点个数由4个增加到48个。然后给舱门连接处模型施加位移边界条件，即产生位移约束，施加时不是简单地在边界上简支或是固支，而是在产生边界节点位移约束时，调用总体分析获得的节点位移结果，也就是由第3步中获得的连续位移矢量场，以连续位移矢量场的形式给舱门连接处模型的边界节点施加相应位移。施加时采用线性插值法，舱门连接处模型中边界节点坐标若和载荷舱门模型中的节点一致，则其位移约束就等于对应节点的位移值，而由于细分而产生的边界节点在载荷舱门模型中没有对应节点，其位移约束按照线性插值给出。
步骤2中测量的是机身上若干个关键点的加速度和应变信息。以定量的求出整机各个舱门零部件的动强度和疲劳寿命数据，为后续的结构加强或减重提供重要依据。
舱门连接处模型中边界节点坐标若和载荷舱门模型中的节点一致，则其位移约束就等于对应节点的位移值。当由于细分而产生的边界节点在载荷舱门模型中没有对应节点，其位移约束按照线性插值给出。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于无人机的载荷舱门强度分析，本发明分析方法对重点部位进行网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，使得局部网格数成倍增加，经与试验结果对比，表明分析结果与试验结果具有良好的一致性，保证了分析精度；
2、本发明一种基于无人机的载荷舱门强度分析，分析精度的提高，可以有效减少复合材料构件试验件数量，缩短研制时间，降低成本，能产生较大的经济效益；
3、本发明一种基于无人机的载荷舱门强度分析，本发明由于采用加速度信息作为整机的载荷信息和监控信息，可以提高数据采集的精度和降低成本，而且可以记录由于驾驶员的习惯造成的一些额外载荷。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本发明一种基于无人机的载荷舱门强度分析，分析方法的步骤可以如下表示：某直升机复合材料机身框腹板长800mm，高500mm，四边与框缘条连接，在实际受力时受到均布单向轴压作用， 框腹板的材料为22834/G803，为了减轻重量，框腹板铺层分为两个部分：框腹板中间部分ABCD的铺层：厚度为1mm；其余部分的铺层：厚度为6mm，很明显，当整个结构受力时，四边形ABCD部分将首先发生屈曲破坏。总体有限元模型建立及分析：根据复合材料框腹板的受力和支持情况，建立了总体有限元模型，有限元模型见图2，框腹板的节点约束了XYZ三个方向的平动自由度，其它边约束了Z方向平动自由度，在受力的单元边上施加均布单向侧压载荷，根据变分原理和分割近似原理进行总体有限元分析，其中，利用所述变分原理和分割近似原理为有限元分析的常用方法。总体有限元强度分析结构以矢量形式保存：根据复合材料框腹板总体分析结果，将总体模型的所有节点位移以矢量形式显示出来，然后保存为矢量场，。局部分析有限元模型建立及分析：将重点关注部位ABCD进行网格细化，重点关注部位单元个数由4个细化为64个，节点个数由9个增加为81个，边界节点个数由36个增加到72个。同时将由总体分析获得的节点位移结果，以矢量场的形式施加到局部模型的边界节点上，数据采用线性插值形式。再根据势能极值原理进行局部有限元屈曲分析。局部屈曲分析结果：由于对网格进行了细化，获得了计算精度更高、模态更光顺的复合材料框腹板屈曲分析结果。分析结果与试验结果具有很好的符合性。不仅是舱门，这种方式适用于飞机每个部件材料的强度分析。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于无人机的载荷舱门强度分析，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：载荷舱门有限元强度分析，对作为分析对象的复合材料结构进行几何描述，建立载荷舱门有限元模型并进行载荷舱门有限元强度分析，同时测量实机翼加速度信息以及飞机身上关键点的加速度和应变信息；
步骤2：载荷舱门有限元强度分析结构以矢量形式保存，将载荷舱门应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场的形式保存显示出来，同时将测得的机翼处的加速度信息作为仿真模型的外载荷输入信息，并依此仿真出机身关键点的加速度以及应变结果；
步骤3：建立拉门连接处有限元模型对重点部位进行网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，同时将实测的机身关键点的加速度以及应变信息与仿真结果进行对比；
步骤4：局部有限元强度分析将步骤2获得的边界条件以位移场和力场的形式施加到拉门连接处有限元模型边界节点上，再进行进一步拉门连接处有限元强度分析，同时根据上述对比结果对仿真模型进行调整，调整好的仿真模型得出整机各个载荷舱门的应力和应变信息对零部件进行疲劳寿命分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的载荷舱门强度分析，其特征在于：步骤2中测量的是机身上若干个关键点的加速度和应变信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的载荷舱门强度分析，其特征在于：舱门连接处模型中边界节点坐标若和载荷舱门模型中的节点一致，则其位移约束就等于对应节点的位移值。
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