有限元力学分析方法在无人机研制中的应用

2013 NO.28Science and Technology Innovation Herald科技创新导报有限元力学分析方法在无人机研制中的应用

刘学业

（中国人民解放军92419部队 辽宁兴城 125106）

摘 要：随着无人机发展，有限元力学分析技术逐步被用来解决无人机研制中的问题，该文介绍了有限元力学分析技术在无人机研制过程中的应用情况。

关键词：有限元 无人机 应用中图分类号：V279 文献标识码：A

文章编号：1674-098X(2013)10(a)-0201-01

1 有限元法介绍

有限元法(Finite Element Method, FEM)，是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。它最初应用在工程科学技术中，用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域；然后对单元(小区域)进行力学分析，最后再整体分析。这种化整为零、集零为整的方法就是有限元的基本思路。

有限元分析是指用有限元的方法来计算数值解的过程，通常是借助于专业有限元软件建立模型来完成的，有限元法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具[1]。作为一种辅助手段，这种技术在无人机研制过程得到了越来越广泛的应用。

从无人机研制实际看，无人机有限元分析技术已经参与到总体研制的各个阶段，应用到结构设计、总体频率分配、结构布局、力学实验、失效分析等诸多方面的工作中，甚至在某些情况下已经可以取代试验，为小无人机研制效率提高，研制流程的优化，研制周期缩短，成本节约等发挥了显著作用。本文介绍了有限元力学分析方法在无人机研制中的应用。(图1、图2)

处等。

3 在总体频率分配中的应用

总体频率分配是指无人机为了避免设

备和整机、设备和设备固有频率耦合，对机上各设备尤其是支架安装的设备的固有频率范围进行规定。对于带支架安装设备的无人机，在研制早期进行频率分配是比较困难的，有限元力学分析的作用更加显著。

有限元力学分析在无人机总体频率分配中的应用方式有两种，一种是建立整机的有限元模型进行模态分析，得到整机固有频率的大致范围，然后与整机固有频率错开的原则来分配组件的固有频率；另一种在方案阶段，把组件的模型组装到整机上，进行模态分析和响应分析，从而检查是否存在设备与整机或设备与设备的频率耦合问题。

2 在结构设计中的应用

2.1 基于有限元的结构设计流程

2.2 有限元在结构设计中的应用(如图3)

有限元力学分析在结构设计中的应用主要包括结构静力分析、模态分析、动态响应分析、结构热变形和热应力分析。

结构静力分析，主要研究无人机结构在静态或准静态载荷条件下的力学行为，解决结构的精确度、刚度和稳定性问题。计算分析对于飞机机翼的设计制造、使用维护、战伤评估等都有较强的实际意义。计算过程中，正确的对机翼结构的结构特点分析和施加边界条件、载荷是有限元分析的基础和重点，决定着分析结果的正确性和有

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效性。

结构模态分析，主要研究无人机结构在特定的边界条件下的固有频率和振型特性，解决结构的方案设计的选择和验证结构设计是否满足模态要求。

动态响应分析，主要研究无人机结构在振动、冲击、噪声等各种动力学载荷作用下的动力学特性，解决结构的动强度问题。目前无人机结构动态响应分析主要是指结构频率响应分析（正弦振动）和随机振动响应分析。

结构热变形和热应力分析，主要研究结构随温度环境的变化的力学特性。特别受热比较集中的部位，如果发动机连接

4 在结构布局中的应用

整机结构布局需要综合考虑各种因素

的影响，其中重要的一项就是设备的力学环境。有限元力学分析在结构布局中的应用主要通过模态分析和响应分析，发现设备与结构的局部模态是否合适，设备承受的动载荷是否合理。有限元力学分析的作用对于力学环境要求高的设备、带支架的设备和柔性组件的布局尤为显著。

5 在力学试验中的应用

有限元力学分析对单机力学试验和整机力学试验都具有重要的指导作用。某些单机产品，主要是光学组件，带有支架安装和具有柔性结构的组件，单机力学试验时往往需要其在敏感频段进行试验。利用有限元力学分析方法能预计飞机上设备力学环境，获取设备在不同频率下的振动响应趋势。

综上所述，有限元力学分析技术已经广泛应用到无人机研制的各个阶段，是无人机设计链条中必须的常规程序，．新产品开发中的强度疲劳断裂、振动和噪声等问题可以成熟地在设计阶段解决，大大地提高了设计质量．缩短了产品研发周期，发挥了显著作用。

图1 机翼的有限元模型

图2 机翼的应变云图

结构总体设计方案CAD绘图软件建立二维/三维模型设计修改输入材料属性参数参考文献

有限元仿真分析仿真分析结果评估确定最优化设计方案图3 基于有限元的结构设计流程

[1] 王凤岐，张连洪，邵宏宇.现代设计方法

[M].天津:天津大学出版社,2004:181- 210.[2] 黄旌，高涛．ANSYS用于机翼有限

元分析的建模研究［J］.红河学院学报,2006,23(4):8-11．

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