无人机折叠翼分步展开机构设计及动力学分析

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2024.01.004

现代防御技术 ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (1): 24-33.DOI: 10.3969/j.issn.1009-086x.2024.01.004

无人机折叠翼分步展开机构设计及动力学分析

许冶¹(), 许国胜²^,³, 王钰坤²^,³, 王刚²^,³, 刘景旺²^,³, 范伯钧⁴, 吴淼⁴

^1.武汉天拓宇航智能装备有限公司，湖北武汉 430207
^2.北华航天工业学院河北省跨气水介质飞行器重点实验室，河北廊坊 065099
^3.北华航天工业学院河北省微小型航天器技术国防重点学科实验室，河北廊坊 065099
^4.北京电子工程总体研究所，北京 100854

收稿日期:2022-11-08 修回日期:2023-03-16 出版日期:2024-02-28 发布日期:2024-02-21
作者简介:许冶（1987-），男，黑龙江哈尔滨人。高工，硕士，研究方向为飞行器结构与机构设计。 E-mail:wg1989hit@163.com
基金资助:
国家自然科学基金青年项目(52305002);河北省青年自然科学基金(E2021409025);河北省高等学校科学研究项目(QN2022123);河北省省级科技计划(213754140);河北省研究生创新资助(CXZSS2023164)

Stepwise Deployable Mechanism Design and Dynamics Analysis of UAV Folding Wing

Ye XU¹(), GuoSheng XU²^,³, Yukun WANG²^,³, Gang WANG²^,³, Jingwang LIU²^,³, BoJun FAN⁴, Miao WU⁴

^1.Wuhan Tiantuo Aerospace Intelligent Equipment Co. , LTD. , Wuhan 430207, China
^2.Key Laboratory of Transgas-Water Medium Vehicle of Hebei Province, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065099, China
^3.National Defense Key Discipline Laboratory of Micro and Small Spacecraft Technology of Hebei Province, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065099, China
^4.Beijing Institute of Electronics Engineering, Beijing 100854, China

Received:2022-11-08 Revised:2023-03-16 Online:2024-02-28 Published:2024-02-21

摘要/Abstract

摘要：

小型巡飞无人机折叠翼的展开方案对于无人机飞行模式切换具有重要影响。针对无人机折叠翼折叠特点与展开需求，提出同步展开和分步展开2种方案。采用拉格朗日法建立折叠翼展开动力学模型，应用气动力仿真软件计算折叠翼在展开过程中所受空气阻力，得出折叠翼采用不同展开方案时所需驱动力矩，以驱动力矩作为评判标准，选取折叠翼最优展开方案。仿真计算结果表明，折叠翼分步展开方案可在保证展开到位的情况下，以小力矩在短时间内完成展开运动。针对折叠翼分步展开方案设计折叠翼分步展开机构，并进行结构静强度分析，验证结构方案的可行性。

关键词: 折叠翼, 展开方案, 拉格朗日法, 动力学模型, 气动力仿真, 分步展开机构

Abstract:

Folding wing deployment scheme of small patrol UAV has an important influence on UAV flight mode switching. According to folding characteristics and deployment requirements of UAV folding wing， two deployment schemes synchronous deployment and stepwise deployment are proposed. With deployment dynamics model of a folding wing being established based on Lagrangian method， and folding wing drag force during deployment being calculated with aerodynamic simulation tool， driving torques needed for different deployment schemes are obtained. Driving torque is used as the evaluation criterion to optimise deployment scheme of the folding wing. Simulation results show that the stepwise deployment scheme has a short deployment time and a small deployment torque to reach the required deployment position. Finally， a deployment mechanism is designed for the stepwise deployment scheme， and static strength analysis of the structure is provided to verify the feasibility of the structure.

Key words: folding wing, deployment schemes, Lagrangian, dynamical model, aerodynamic simulation, step deployment mechanism

中图分类号:

V224

许冶, 许国胜, 王钰坤, 王刚, 刘景旺, 范伯钧, 吴淼. 无人机折叠翼分步展开机构设计及动力学分析[J]. 现代防御技术, 2024, 52(1): 24-33.

Ye XU, GuoSheng XU, Yukun WANG, Gang WANG, Jingwang LIU, BoJun FAN, Miao WU. Stepwise Deployable Mechanism Design and Dynamics Analysis of UAV Folding Wing[J]. Modern Defense Technology, 2024, 52(1): 24-33.

图/表 25

图1 折叠方式1

Fig. 1 Folding modes 1

图2 折叠方式2

Fig. 2 Folding modes 2

图3 折叠翼展开示意图

Fig. 3 Schematic diagram of folding wing deployment

图4 折叠翼展开过程（同步展开）

Fig. 4 Folding wing deployment process（synchronous deployment）

图5 折叠翼展开过程（分步展开-机翼优先展开）

Fig. 5 Folding wing deployment process（stepwise deployment -wing first deployment）

图6 折叠翼展开过程（分步展开-机翼固定板优先翻转）

Fig. 6 Folding wing deployment process（stepwise deployment-wing fixed plate first flip）

图7 折叠翼简化模型

Fig. 7 Simplified model of the folding wing

表1 飞行状态参数

Table 1 Flight status parameters

含义	变量	值
风速/（m·s^-1）	v	10
空气密度/（kg·m^-3）	ρ	1.225
空气粘度/（Pa·s）	μ	1.798 4e-5
湍流强度	I	5

图8 网格数目对升阻比的影响曲线

Fig. 8 Influence curve of girds number on lift-drag ratio

图9 流场网格

Fig. 9 Flow field grid

图10 同步展开过程

Fig. 10 Synchronous deployment process

图11 分步展开过程

Fig. 11 Stepwise deployment process

图12 空气阻力矩-时间曲线（同步展开）

Fig. 12 Curve of air resistance moment-time （synchronous deployment）

图13 空气阻力矩-时间曲线（分步展开）

Fig. 13 Curve of air resistance moment-time （stepwise deployment）

图14 展开角度-时间曲线（同步展开）

Fig. 14 Curve of deployment angle-time（synchronous deployment）

图15 展开角度-时间曲线（分步展开）

Fig. 15 Curve of deployment angle-time（stepwise deployment）

图16 转轴1处扭簧安装示意图

Fig. 16 Installation diagram of torsion spring at the position of the rotating shaft 1

图17 转轴2处扭转弹簧安装示意图

Fig. 17 Installation diagram of torsion spring at the position of the rotating shaft 2

图18 分步触发机构示意图

Fig. 18 Schematic diagram of stepwise trigger mechanism

图19 水平展开结构示意图

Fig. 19 Schematic diagram of horizontally unfolded structure

图20 竖直翻转与锁定结构示意图

Fig. 20 Schematic diagram of vertical flip and locking structure

图21 无人机折叠翼展开机构示意图

Fig. 21 Schematic diagram of folding wing deployment mechanism of UAV

图22 展开机构应力云图

Fig. 22 Stress cloud diagram of unfolded mechanism

图23 展开机构应变云图

Fig. 23 Strain cloud diagram of unfolded mechanism

表2 关键部件所受应力及应变量

Table 2 Stress and strain variables of key components

名称	材料	材料屈服强度/MPa	所受应力/MPa	应变量/mm
机身	7075	505	290	0.13
机翼固定板	7075	505	238	0.19
转轴1	40Cr	785	276	0.58
转轴2	40Cr	785	515	0.34

参考文献 17

1	OTSUKA K， MAKIHARA K. Aeroelastic Deployable Wing Simulation Considering Rotation Hinge Joint Based on Flexible Multibody Dynamics［J］. Journal of Sound and Vibration， 2016， 369： 147-167.
2	吕铁钢，陈国光. 变体飞行器的运动学特性研究［J］. 现代防御技术， 2021， 49（6）： 41-48.
	Tiegang LÜ， CHEN Guoguang. Study on Kinematics Characteristics of Variant Aircraft［J］. Modern Defence Technology， 2021， 49（6）： 41-48.
3	XU Hao， HAN Jinglong， YUN Haiwei， et al. Calculation of the Hinge Moments of a Folding Wing Aircraft During the Flight-Folding Process［J］. International Journal of Aerospace Engineering， 2019， 2019： 9362629.
4	XU Hao， HUANG Qin， HAN Jinglong， et al. Calculation of Hinge Moments for a Folding Wing Aircraft Based on High-Order Panel Method［J］. Mathematical Problems in Engineering， 2020， 2020： 8881233.
5	KROYER R. Wing Mechanism Analysis［J］. Computers & Structures， 1999， 72（1/3）： 253-265.
6	张付祥，张诺. 小型折叠翼多用途无人机折叠方案及其展开机构设计［J］. 航空制造技术， 2016， 59（7）： 94-96， 100.
	ZHANG Fuxiang， ZHANG Nuo. Design of Folding Scheme and Unfolding Mechanism of a Multipurpose Small Size Folding-Wing UAV［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2016， 59（7）： 94-96， 100.
7	包晓翔，张云飞，杨晓树. 新型折叠翼机构设计［J］. 北京航空航天大学学报， 2014， 40（8）： 1127-1133.
	BAO Xiaoxiang， ZHANG Yunfei， YANG Xiaoshu. Design of a Novel Folding Wing Mechanism［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2014， 40（8）： 1127-1133.
8	昌敏，孙杨，白俊强，等. 平角旋转机构约束的管射无人机二次折叠翼气动优化设计［J］. 航空学报， 2022， 43（11）： 455-466.
	CHANG Min， SUN Yang， BAI Junqiang， et al. Aerodynamic Design Optimization of Twice Folding Wing for Tube-Launched UAV Constrained by Flat-Angle Rotation Mechanism［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（11）： 455-466.
9	刘群，杨昭，周传霞. 某型旋翼无人机极限风速下运动失稳及失能特性研究［J］. 现代防御技术， 2022， 50（1）： 19-24.
	LIU Qun， YANG Zhao， ZHOU Chuanxia. Study on Motion Instability and Disability Characteristics of Rotor UAV Under Extreme Wind Speed［J］. Modern Defence Technology， 2022， 50（1）： 19-24.
10	ZHANG Hangyue， YANG Yanchu. Dynamic Analysis of Wing Deployment of High Altitude Balloon Launched Small Size Folding-Wing UAV［C］∥2018 Asia Conference on Mechanical Engineering and Aerospace Engineering （MEAE 2018）. France： EDP Sciences， 2018： 05004.
11	SUN Jiyu， LIU Chao， DU Ruijuan， et al. Design of Bionic Deployable Wings［C］∥2018 IEEE International Conference on Manipulation， Manufacturing and Measurement on the Nanoscale （3M-NANO）. Piscataway， NJ， USA： IEEE， 2018： 134-137.
12	GAO Yun， HU Ming， ZHAO Deming， et al. Dynamics and Reliability Analysis of the Deployment Process of Spring Folding Wing［C］∥IOP Conference Series： Materials Science and Engineering. Bristol， United Kingdom： IOP Publishing， 2021： 052011.
13	张慧萍. 多折叠翼结构技术方案及其动力学特性研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2019.
	ZHANG Huiping. Technical Scheme of Multi-Folded Wing Structure and Dynamic Characteristics［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2019.
14	董文俊，孙秦. 折叠翼变体飞机的传动机构设计和驱动方式优化分析［J］. 航空工程进展， 2011， 2（1）： 84-88.
	DONG Wenjun， SUN Qin. The Transmission Design and Driving Optimization of Folding Wing Aircraft［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2011， 2（1）： 84-88.
15	Peng LÜ， Shengli LÜ， YANG Guangjun， et al. Structural Design and Finite Element Analysis of Unfolding Process for All Composite Folding Wing of UAV［J］. Advanced Materials Research， 2011， 163-167： 2328-2332.
16	王云飞，肖洪，杨广，等. 平行连杆式变形翼结构设计及分布式驱动配置［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2022， 54（1）： 65-72.
	WANG Yunfei， XIAO Hong， YANG Guang， et al. Structure Design and Distributed Actuators Configuration of a Parallel Linkage Morphing Wing［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2022， 54（1）： 65-72.
17	张祖豪. 具有连续机翼表面的伸缩式变形翼研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019.
	ZHANG Zuhao. Study on Telescopic Morphing Wing with Continue Wing Surface［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2019.

[1]	贾彦翔, 邱旭阳, 卞伟伟, 刘亮. 柔性网空中联合组网参数配置优化算法[J]. 现代防御技术, 2021, 49(2): 57-63.
[2]	张凯, 熊家军. 高超声速滑翔目标多层递阶轨迹预测[J]. 现代防御技术, 2018, 46(4): 92-98.
[3]	韩春耀, 熊家军, 张凯. 无动力滑翔高超声速飞行器轨迹预测方法[J]. 现代防御技术, 2018, 46(3): 146-151.

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Stepwise Deployable Mechanism Design and Dynamics Analysis of UAV Folding Wing

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