无人直升机轻质机身结构方案设计研究

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1、中图分类号：V221论文编号：102870115-S259学科分类号：082501硕士学位论文无人直升机轻质机身结构方案设计研究研究生姓名何文龙学科、专业飞行器设计研究方向直升机设计指导教师李建波研究员南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringAStudyontheLightweightFuselageDesignforUnmannedHelicopte

2、rAThesisinFlightVehicleDesignbyHeWenlongAdvisedbyProf.LiJianboSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary，2015承诺书本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授

3、权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要现代无人直升机作战效能的发挥，很大程度上依赖于其平台性能，而持续的战场感知能力对机身携带的燃油量和机体重量提出了更高的要求。结构重量通常在整机重量中占比很大，可达到整机空重的三分之一，其中机身结构是降低整机空重的重要设计对象。传统直升机机身结构由于材料和设计方法上的限制，通常重量偏大，结构冗余过多，重量效率不高，无法携带更多燃油。随

4、着复合材料工业的迅猛发展，以及相关工程应用经验的逐渐积累，随着尺寸优化、形状优化、拓扑优化等一系列优化设计方法的出现，高重量效率的轻质机身结构方案在设计过程中逐渐得以实现。本文在参考多种无人直升机机体结构设计方案的基础上，首先根据无人直升机总体布置设计要求，结合拓扑优化设计，得出主体结构最优传力路径，形成初始的机身结构方案。然后通过ANSYS软件对上述结构进行有限元建模分析，校核其强度和刚度，进行初始机身结构方案的设计完善，得到满足强度刚度要求的机身结构可行方案。最后采用基于响应面的优化方法对复合材料方案进行了参数优化设计分析，形成了完整的

5、拓扑建模-结构分析-参数优化设计流程。通过这一系列建模分析优化，最终得出了满足重量效率指标的轻质机身结构优化设计方案。本文结合机身结构方案设计研究，详细讨论了两类优化设计方法，具体包括三个方面：（1）通过拓扑优化给出中机身核心承力设计域的最优结构形式；（2）根据Puck失效准则给出复合材料铺层中相邻层夹角过大可能导致的失效形式；（3）基于响应面优化（RSM）结果，得到机身分段结构的承力特征，并给出相应的复合材料铺层方案设计原则。本文完整的建模分析优化思路对轻质机身结构设计具有重要参考价值。关键词：有限元，机身结构，复合材料，传力路径，拓扑优

6、化，响应面法1无人直升机轻质机身结构方案设计研究AbstractModernbattlefieldenvironmentrequiresUnmannedAirSystemtohoverforlongerperiodsoftime,gogreaterdistancesandoperatemuchmorequietlythaneverbefore.Thehigh-endurancecapabilitiesofsuchrotorcraftdemandshighfuelfractionandlightweightfuselagestructures

7、.Theweightoffuselagestructuresnormallytakesone-thirdofthebasicemptyweight,thusitwouldbereasonabletodesignalightweightfuselagestructuresthroughoptimizationmethods.Duetolimitationsintraditionalstructurematerialsanddesignmethod,theshortcomingofconventionalhelicoptersisthehigh

8、-weightairframewhichleadstoalowfuelfraction.Withthedevelopmentofcompositesindustryandthea