论文总字数：26187字

摘 要

随着折纸术的发展，折纸术的应用越来越广泛，折纸工程被认为是最有前途的多尺度设计方法之一。本课题调研了国内外无人机的发展趋势和发展现状，并将折纸术应用到无人机的变形设计中来，所设计的无人机能实现无人机的机身、机翼的大尺度变形。本设计利用折纸术的可折叠特性设计一种具有单自由度的可折叠变形机构作为无人机机翼的骨架结构，实现机翼的展向和弦向的伸缩变形。该结构采用丝杠螺母为驱动元件，驱动方案简单、变形过程容易控制。机身、机翼蒙皮的两种支撑结构均是基于Miura折纸理论的设计。本设计采用Solidworks软件对所设计的无人机虚拟样机的三维模型进行建模，采用Rhino软件对所设计的折纸结构进行三维建模。采用ANSYS软件对所设计的无人机机翼进行流场分析、静力学分析和模态分析，验证所设计变形机构的强度和刚度满足设计要求，找出无人机的共振频率，并对所设计的无人机机翼结构进行优化改良。

关键词：无人机，折纸术，三维建模，静力学分析，流场分析

Abstract

With the development of origami, the application of origami is more and more widespread. Origami engineering is considered as one of the most promising multi-scale design methods. In this thesis, the author studies the status and trend of developments of drones at home and abroad，and applies origami to the deformation design of drones. The designed drones is able to realize the large scale deformation. of the drone's fuselage and wings. A deformable mechanism with a single degree of freedom is designed as the skeleton structure of the wing of the UAV utilizing the foldability of origami structures. This mechanism allows the wing to realize spanwise extension and telescopic deformation in the chord direction. Screw and nut is adopted as the driving element of this deformable mechanism for its simple driving scheme and the controllability of the driving process. Support structures for the fuselage and the wing skin are designed based on the theory of Miura origami respectively. The support structure of the wing skin can achieve in-plane deformation to adapt to the deformation process of the UAV wing. The three-dimensional virtual prototype of the UAV built in Solidworks is presented, as well as the three-dimensional modeling of the designed origami structure built in Rhino software. Static analysis and modal analysis of the designed UAV wing performed using Ansys verifies that the strength and stiffness of the designed deformation mechanism meet the design requirements, and finds the resonant frequency of the drone. Improvements of the wing structure is presented based on the simulation results.

Key Words: UAV, origami, 3D modeling, static analysis, flow analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 选题意义 1

1.3 课题的研究现状 2

1.4 课题研究内容 3

第二章 折纸术基本理论 5

2.1 折纸术的概念 5

2.2 折纸与结构 5

2.3 折叠结构的发展 6

第三章 无人机变形结构的设计 7

3.1 Miura折纸 7

3.1.1 Miura折纸简介 7

3.1.2 Miura点的建立 7

3.2 无人机蒙皮支撑结构设计 8

3.2.1 机身蒙皮支撑结构 8

3.2.2 机翼蒙皮支撑结构 11

3.3 无人机机翼变形机构设计 11

3.4 无人机机身变形机构设计 13

第四章 无人机参数设计 14

4.1 无人机气动布局选择 14

4.2 无人机初始总体参数选择 14

4.2.1 无人机巡航飞行的必要条件 14

4.2.2 总体参数设计流程 15

4.3 无人机机身设计 16

4.3.1 无人机机身的主要几何参数及其设计 16

4.3.2 机身长细比和最大截面位置的影响 17

4.4 无人机机翼设计 17

4.4.1 无人机机翼翼型选择 17

4.4.2 无人机机翼受载分析 18

4.5 无人机的结构材料选择 19

第五章 无人机性能分析 22

5.1 无人机机翼流场分析 22

5.2 无人机机翼静力学分析 25

5.3 无人机机翼模态分析 27

第六章 结语与展望 29

6.1 本文的主要工作和创新点 29

6.1.1 本文的主要研究工作 29

6.1.2 本文主要的创新点 29

6.2 进一步研究和展望 30

致 谢 31

参考文献 32

绪论

选题背景

近年来，随着科技的飞速发展人们对“空中汽车”的研究与开发取得了很大的进步。人类将进入一个信息化、智能化的新时代。未来战场将会是一个科技对抗的战场，而无人机作为未来战场上不可或缺的一员，无人机能执行多项危险任务、与人脱离等特点将会使其蓬勃发展。无人机就是无人驾驶的飞机，它通过无线电遥控设备和自备的程序控制装置来对无人机进行操纵。目前很多研究人员通过对已投入使用的无人机进行分析和对未来更具危险性和复杂性的战场的评估，现阶段的无人机存在着很多的缺点和不足（例如飞行模式单一，环境适应性差等）。这使得对无人机的研究和设计成为当今飞行器研究的一大热点。随着设计人员对飞行器原理认识和逐步深入的研究，发展具有高效率和高性能飞行器成为飞行器设计领域的重点研究方向。高效率飞行器不仅在飞行过程中能够大幅减少能量消耗，而且还能有效提高航程和航时；高性能飞行器在飞行过程中具有更出色的爬升、冲刺和机动性能，相比传统飞行器具有更强的生存能力。由于传统无人机的飞行模式单一、环境适应能力差、不能满足多任务模式需求。为克服传统飞行器这种单任务模式的缺点，未来设计的飞行器应随飞行环境和飞行任务的改变而改变，变体飞行器由此孕育而生。现如今对体飞行器的研究主要体现在飞机机翼的变形设计与研究上。对于飞机而言，机翼是其升力和操纵力的主要来源，是飞机设计的首要研究对象^[1]。机翼性能的优劣直接影响飞机的飞行性能好坏。目前很多国家研究的变体飞机的变形翼有可变翼展型机翼、可变后掠翼以及可变翼弦型机翼，其中可变翼展型机翼有：可折叠机翼、可伸缩机翼等。传统机翼的内骨架结构的形状是固定的，不满足变形要求。而目前的一些机翼变体设计仅能实现简单的变体模式，且变形幅度有限，变形机构结构复杂需要比较复杂的驱动系统。

因此设计自由度较少、驱动方案简单、变形过程容易控制且能实现复杂的变体模式和增加变形幅度的变体飞机又成为变体飞行器设计的一大热点。折纸工程被认为是最有前途的多尺度设计方法之一，用于生产具有不寻常变形机构和具有形状变化特征的结构和材料。折纸术应用广泛，目前主要体现在一些建筑结构和一些空间变形机构上。本课题研究目的是将折纸术运用到无人机的变形设计上来，利用折纸结构的特性来实现无人机机翼的大尺度连续变形。

选题意义

折纸术是一门始于中国发展于日本的折叠纸的古老艺术，这是一种将二维纸张制成三维结构的工艺。在生活中折纸术的应用广泛，大到在一些大型建筑物（例如大型体育馆的可打开穹顶），小到DNA纳米技术的应用^[2]。还有一些随处可见的应用，例如剪叉式伸缩门、可折叠帐篷、可折叠桌椅、雨伞等。这些应用都有一个共同点就是变形量大，驱动简单。折纸结构具有良好的比强度和吸能特性^[3]，能够实时转变形状。由折纸术发展而来的折纸镶嵌技术被用于开发空间应用的可展开结构。可展开机构是指能从压缩的收拢状态或折叠构型转换为体积或表面积较大的能够承受特定载荷的稳定承载结构构型^[4]。折纸术最近被用来开发具有形状变化的智能材料和变形部件^[5]，具有不同变形机制的多尺度结构，软体机器人，用于夹层结构的高性能芯片以及用于波传播的超材料和新型纳米复合材料^[6]等。

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