黄嘉豪+吴杰章+张纯良+张守田

摘 要：该文以多旋翼无人机的机身作为研究重点。分析行业研究文献与无人机行业，对多旋翼无人机机身的结构展开多角度探讨，包括无人机机身材料、受力、装配方式等方面。以蜂巢拓扑二维平面结构为核心理论，高弹性轻质工程木质为主体材料，提出高韧性碳纤维复合材料和木材复合镶嵌补强方案，设计一款中心轴距600 mm，机架重量仅80 g，升力峰值4.5 kg，空机质量轻，运载能力极强，结构抗拉强度优越，疲劳断裂周期长的轻型四旋翼无人机机身。电机绝大部分的升力都转化为载运能力，飞行效率好，机架性价比高，对未来多旋翼无人机机架设计带来一个新的方向。

关键词：无人机 机身 蜂窝结构 碳纤维复合材料 凯夫拉复合材料

中图分类号：V275.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0017-02

纵观航空航天发展史，航空航天模型普及与航空航天科研水平有密不可分的关系。近年来，航空研究与其他科技发展日趋成熟，在加入任务载荷，稳定的动力系统和飞行控制系统后，航空模型飞机被人们赋予了新定义—无人机。其应用有更强的目的性与实用性，不仅仅在娱乐表演领域有更突出的表现，在航拍、环境与气象探测、地理勘探测绘、社会救援监视等领域也有很大的应用价值[1]。随着无人机的发展深入，加上应用市场的不断拓宽，民用无人机逐步融入生活的各个领域，人们对无人机的认识也越来越家喻户晓，在日常生活中就能看到各式各样的旋翼无人机执行其特定的工作。多旋翼无人机操作简便，造价成本低，在未来具有巨大的开发潜力和经济效益，受多个行业青睐。

1 无人机轻型机身结构详细设计

首先四旋翼的机臂采用碳纤维圆管作为机架的主要材料，因为圆管材料的强度较方管更有保障，且不易变形，可以承受多种外力的变形，对弯扭外力的削弱很有效果。此外，加上碳纤维复合材料的配合使用，可以使整个机身的质量得到很大的减小，使机臂的强度有效提升，对于启动电机瞬间的抗突变扭力很有帮助。通过查询相关文献，得知型号为2212的电机在启动时产生的扭力系數较小，因此在选择碳纤维圆管材料时，对其直径有所讲究。我们选用了规格最小的一款，其长度为1 m。外径为4 mm，内径为3 mm，整根碳纤维管的重量是9 g。使用砂轮机将碳纤维圆管对半切割，得到两根长度为50 cm的碳纤维圆管，分别用于该四旋翼无人机的左右机臂。

四旋翼机身起落架架的设计，分别采用碳纤维管、轻木以及层板进行了强度测试，最后对测试结果分析，综合考虑价格、结构强度及性能分析后得出碳纤维管是四旋翼机身起落架架的最佳选择。因此，起落架同样采用碳纤维管进行制作，对机臂的支撑效果好，且结构稳定。同样考虑到整体机身的质量要尽量小，碳纤维管在选材也使用了最小规格的碳纤维管，而脚架的结构采用的篮子4脚式，高度和宽度分别为20 cm和25 cm，碳纤维管用量为2 m。自此，脚架的设计完毕。我们可以看到以脚架支撑机臂的基本模型。

下面考虑的是各个部件的连接，为了设计更具有比较性，此次设计采用了两种方案，一种仅采用轻木材料进行切割后拼接各个部件，将各个碳管连接起来，并固定各自的位置。由于轻木本身密度极小，且存在大量气孔，因此质量只有层板的1/4。另外一种采用航空层板进行加工作为主要拼接材料，加工材料选用桦木或椴木均可，通过渗胶、浸渍、干燥、热压等工艺进行加工，该加工工艺的关键在于横竖木纹的交错压制。相对轻木来而言，层板的结构强度要好很多，将两种材料进行合理加工，即可得到结构强度较好的材料。经过测试发现两种结构拼接方案均能满足此次设计对结构强度的要求。由于各个部件的尺寸类型都比较小，均在5cm范围内。在使用502胶水粘合后，采用轻木拼接的结构强度有了很大提升。虽然层板材质的强度更高，但轻木疏松且多气孔促进了胶水的胶合，使整体粘接面均有合理的粘接强度，经过固化后本身分子间相互束缚在一起，产生了内聚力，强度显著提升。为保证机身足够轻，我们不使用航空层板材料，而采用轻木作为拼接材料，将机身、机臂、脚架拼接起来。至此，整个四旋翼无机人机的机身已经设计完成。

三视图及拼装图如图1所示。

2 结论

该文通过具体分析，对各种方案进行多项测试，测得该无人机轻型机架优化后，该机架优点如下。

（1）比原机架重量减少60%，飞行器极限载运重量增加13%。

（2）定点续航时间比原飞行器增加16%，电池过充过放情况下，飞机器的总运载量增加20%。

机架重量极轻，飞机起飞质量轻，运载能力得到有效加强，数据多方面表现出飞机性能的提升，又因所取材料的特性，这是一个结构抗拉强度优越的轻型四旋翼无人机机架。

参考文献

[1] 马远超.四旋翼飞行器导航及控制技术研究[D].哈尔滨工程大学，2013.

[2] 马翊华，郭立甫.大疆无人机占领国际市场的成功经验与启示[J].对外经贸实务，2016（1）：76-79.

[3] 高性能材料“凯夫拉”[J].广东塑料，2005（Z1）：20.

[4] 郑瑞琪，那万才，洪国祥，等.直升机无孔蜂窝结构旋翼选胶和改进胶接工艺的若干经验[J].航空材料，1982（1）：13-15，18.

[5] 张平.基于柔性蜂窝的变弯度机翼后缘结构设计[D].南京航空航天大学，2010.