无人机结构动力学特性研究--汉航助力深圳大漠大无人机研发

1 应用背景

在当今这个科技飞速发展的时代，无人机已经从最初的军事专属，逐渐演变为各个领域不可或缺的得力助手，成为了现代科技的多面手。如从农业植保领域助力农作物生长，到电力巡检保障能源供应稳定；从物流配送解决“最后一公里”难题，到应急救援在关键时刻挽救生命；从地理测绘绘制精准地图，到节目表演展示绝美画面…… 无人机的身影无处不在，为各个行业带来了前所未有的变革与发展机遇。

无人机的广泛应用，不仅推动了各个行业的发展，也让我们的生活变得更加便捷、高效。然而，随着无人机使用场景的不断拓展，对其性能和安全的要求也越来越高。无人机在飞行过程中，要面临各种复杂的环境和工况，这就需要其具备良好的结构强度和稳定性，其动态特性直接影响使用寿命及飞行安全。因此，对无人机进行多种可靠性测试，如模态测试、应变测试及旋转机械测试则显得尤为重要，它们是保障无人机性能和安全的关键环节。

• 模态测试：探寻无人机的振动密码

模态测试，也被称为试验模态分析，是确定线性振动系统模态参数的关键振动试验。这里的模态参数，就像是无人机结构的“指纹”，包括固有频率、阻尼比、振型和模态质量等，它们从不同角度描述了无人机在振动时的特征。固有频率决定了无人机在特定条件下自然振动的快慢，阻尼比则反映了振动过程中能量的衰减程度，振型展示了无人机各部分在振动时的相对位移形态，模态质量关联着结构的惯性特性。

对无人机进行模态测试，就如同给它做一次全面的“体检”，能让工程师深入了解无人机结构的固有振动特性。通过这些信息，工程师可以精准预测无人机在不同飞行条件下的振动响应，从而有效避免在飞行过程中发生共振现象。共振一旦发生，就像给无人机内部结构施加了一个不断放大的破坏力，会极大地威胁飞行安全。

• 应力测试：守护无人机的结构安全

应力应变测试是一种用于测量物体在受力时所产生的应变的技术。从物理学角度来看，当物体受到外力作用时，其内部各点的相对位置会发生变化，这种变化表现为物体的变形，而应变就是描述这种变形程度的物理量。在无人机中，应变测试通过测量无人机结构在飞行过程中的应变情况，来反映结构的受力状态。

这就好比给无人机的结构装上了一个“感知器”，能够实时捕捉到结构的受力变化。一旦无人机的结构出现异常受力，如某个部位承受的应力超过了设计极限，应变测试就能及时发现。这对于保障无人机的飞行安全至关重要，因为及时发现结构疲劳和损伤，可以避免在飞行过程中出现结构失效的严重后果。曾经有一起无人机事故，就是因为机翼结构在长期使用中出现了疲劳损伤，但由于没有及时进行应变测试和维护，最终在飞行时机翼断裂，导致无人机坠毁。如果能定期进行应变测试，就可以提前发现这些潜在问题，采取相应的修复或更换措施，确保无人机的飞行安全。

• 旋转机械测试：确保无人机动力系统稳定

旋转机械测试的内容丰富多样，涵盖了多个关键参数的测量。转速测量及振动测量也是关键环节，通过监测旋转机械在运行过程中的振动情况，可以及时发现部件的不平衡、松动等潜在问题。这些测试的目的就是全面评估旋转机械的性能和可靠性。只有确保旋转机械在各种工况下都能稳定运行，无人机才能安全、高效地完成各种任务。例如，在物流配送无人机中，如果旋转机械性能不稳定，可能导致货物无法按时送达，甚至在飞行过程中出现故障，造成货物损坏。

2 测试案例

深圳大漠大智控技术有限公司是一家专注于无人机集群自动化表演系统研发、生产、销售和服务一体化的国家专精特新“小巨人”企业、国家高新技术企业，是全球领先的无人机集群自动化表演系统供应商。在无人机行业蓬勃发展的当下，始终致力于在激烈的市场竞争中脱颖而出，不断提升产品性能和安全性成为其核心追求。为了实现这一目标，其使用汉航Hunter H18硬件及汉航NTS.LAB软件进行多种可靠性试验，以此来改进优化其无人机产品。

2.1 无人机模态测试与有限元仿真

• 有限元仿真：计算模态结果

首先在商用有限元软件中建立该无人机三维模型，输入材料属性并划分网格后，进行自由边界下的动力学分析。考虑到在实际工作过程中高阶频率很难被激发，低频更容易被电机及外部载荷激励，所以从有限元模态分析结果中只提取100Hz以下的低阶模态频率，并得到其前6阶的弹性模态频率和振型，具体如下表所示。

• 试验测试：试验模态结果

为了得到无人机的自由模态参数，包括固有频率、振型、和阻尼，使用橡皮绳悬挂，模拟自由支撑条件，如下图所示。

本次试验采用锤击法试验方法，在无人机上布置16个测点，分别在测点1、2、3、4结点处粘贴三向传感器，测试其X、Y、Z方向响应，几何模型及测点如下图所示。

基于锤击法获取的FRF矩阵数据，采用汉航NTS.LAB多参考点最小二乘复频域法和MLE最大似然估计算法获取了无人机的前6阶模态参数，如表2所示。

模态试验结果的可靠性可通过振型相关矩阵(MAC)来进行校验。从下图来看，除个别相邻两阶模态标量乘积较大之外，其他各阶模态正交性良好，表明模态分析结果比较理想。

• 有限元试验结果与试验模态对比

有限元的试验结果和试验模态结果通过观察振型及频率进行对比，如下表所示。

通过有限元模态分析及模态试验结果对比来看，各阶模态频率基本一致，且相近模态频率表现出相同的模态振型，最大误差为9.9%，验证了有限元模型的有效性和准确性，表明有限元分析及试验模态分析结果合理可靠。

另外，从振型可以看出：前六阶振型主要表现在外围框架结构较大的振动响应，主要为整体框架结构的水平、竖直弯曲摆动以及整体的扭转，这些振动形式可能会造成外围框架结构的疲劳损伤，无人机在工作时应尽可能避开这些频率的激励源。

2.2 无人机应变测试

该款无人机在飞行测试时，往往会关注应力较大的位置，如应力集中现象。因此需要对应力进行监测。基于此，对该款无人机进行应力应变测试，如下图所示。

将无人机安装在测试工装上，并做2000rpm-18000rpm的变化转速的工况应变数据监测，通过安装在无人机上的应变片可以判断出无人机结构应变变化历程，应变数据可视化监测界面如下图所示。

通过对监测系统得到的数据进行分析可知：结构关键监测点实测的应变值计算出的应力均小于材料破坏应力，对无人机结构强度未产生影响。

2.3 无人机旋转机械测试分析

首先在无人机上安装用传感器，然后用信号采集器采集旋转机械的振动信息，通过振动频谱分析，从而找出振动的原因所在，如不平衡、转轴弯曲、轴系不对称等。本次试验具体如下：使用光电转速传感器测试无人机扇叶转速，三向加速度监测其振动响应，具体传感器安装在红色圆圈位置处，如下图所示位置。

本次试验工况为：3000rpm-14000rpm升速工况，实时测试监测位置振动响应情况，具体如下。

从上图可以发现：振动能量随着转速的增加，主要集中在前5阶，并选择Y方向的振动数据进行阶次跟踪，可以发现在10000rpm以内，1阶能量较大，在10000rpm-14000rpm之间，二阶能量占有较大比重。因此可根据该螺旋机扇叶及电机的传动比，确定能量较大的转轴，进行下一步的优化，更高效率的降低振动幅值。

3 结语

汉航数据采集产品，凭借其高采样率、高精度传感器和强大的数据处理能力，在无人机模态测试、旋转机械测试及应力测试中展现出了卓越的性能和显著的优势。它不仅大幅提升了测试精度，让我们对无人机的结构特性和应力分布有了更准确的了解，为优化设计提供了坚实的数据基础；还极大地提高了测试效率，缩短了测试周期，为企业节省了大量的时间和成本，增强了企业在市场中的竞争力。

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