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對兩軸光電云臺的有限元分析及優化

發表時間:2022-04-05 22:08 閱讀:
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      近年來,隨著無人機技術的飛速發展,無人機開始在各領域得到廣泛的應用。作為無人機中特殊的一支,多旋翼無人直升機以其結構簡單,造價親民,操控性好等眾多優點成為無人機家族中的一顆新星。而具有結構緊湊,減振性強的小型兩軸云臺很好的貼合了多旋翼無
      人機的要求,已經成為眾多多旋翼無人直升機的選擇。作為多旋翼無人直升機平臺上的重要部件,小型兩軸光電平臺的各部分零件的剛度和強度顯得尤為重要,剛度或強度的不足將直接影響到平臺的成像質量,甚至會影響到成像載荷的安全。如今,計算機仿真模擬技術已經在越來越多的設計領域發揮其重要作用。通過計算機有限元分析模擬技術,驗證設計中的兩軸云臺的剛度及強度,并對其進行優化設計,在保證其剛度和強度的基礎上,對其進行輕量化以滿足無人機平臺的要求。
      該小型兩軸云臺以gopro3相機為光電載荷,并要求其具備較好的兼容性。俯仰軸與滾轉軸分別以bgm2208 90T無刷電機驅動,相機框架后方安裝mpu6050采集姿態數據。云臺上方設置電路板,以Atmega328芯片為主控制器,驅動無刷電機芯片作出補償,以減小擾動,穩定平臺。
      其結構可簡要表示如圖2所示。其中O點為相機框的質量中心,而橫滾軸與俯仰軸在O點附近交匯。為了控制云臺整體重量和尺寸,需要盡可能小的電機。而小電機產生的力矩有限,因此需要將橫滾軸與俯仰軸的交匯點盡量置于相機框的質心附近,以盡可能減小其產生的偏心力矩。
      在此云臺結構上,存在著許多細小結構,這些特征結構主要起到連接、定位的作用,對整個框架的力學性能幾乎沒有影響。在有限元分析中,這些螺紋孔、凸臺會產生相當數量的細小單元。這些細小單元一方面占用了大量的計算資源另一方面對計算結果只造成很有限的影響。因此,在建立有限元模型前,必須對框架結構進行簡化處理。對于螺紋孔、凸臺這類細小結構,進行忽略。
      對于無刷電機,其內部結構復雜,對其進行分析會占用大量資源。然而其剛度遠大于其他結構。將其內部簡化為軸,雖然電機的剛度被極大的降低但對整體剛度的影響依然十分有限,同時能極大的縮短運算所需的時間。
      經過簡化后的模型與實際的模型雖不完全一致,對其剛度矩陣和質量矩陣造成了影響。但就該框架的剛度校驗而言,影響是微小的。總體而言,在建立有限元模型前,對此框架結構進行簡化是可行且有必要的。
      在SolidWorks中導入三維模型,并對其進行簡化。現將模型通過程序接口導入ANSYS Workbench 14.0。單擊程序接口ANSYS 14.0,在下拉菜單中選擇Workbench,將模型導入workbench中。在Engineering Data中添加材料鋁合金,設置材料密度ρ=2.78xe3 Kg⁄m3。拉伸屈服強度為3.25×e8Pa,壓縮屈服極限為3.25xe8Pa,在設置中,將Element Size設置位1xe-3 m。


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