近来,随着无人机技术的发展,具有垂直起降功能的固定翼无人机成为了研究机构、商业公司和军事单位重点关注的对象。倾转旋翼是其中一种重要的垂直起降固定翼无人机,通过倾转机构的运动可以实现垂直起降阶段和固定翼巡航阶段的动力复用。其中,倾转机构作为倾转旋翼无人机的核心部件,很大程度上决定了模态转换的稳定性和飞行安全性。在前期研究中,发现倾转旋翼无人机在模态转换过程中伴随产生飞机抬头、向左偏航滚转、掉高等问题。初步分析表明,这些现象和倾转机构的运动,以及旋翼倾转的空气动力学特性有关。由于存在明显的内部相对运动,采用刚体动力学分析的方法已经不能深入解释和分析这些问题。因此,本文以实验室自主研发的灵鹰I型倾转旋翼无人机为研究对象,对其倾转机构进行了运动学、动力学的有限元仿真分析,并根据分析结果提出了优化设计方案。主要工作及贡献如下:(1)建立了倾转机构多刚体动力学模型,完成了倾转机构构型优化设计和基本运动规律分析为了建立尽可能精确的模型和了解倾转机构的内部工作状态,需要考虑螺旋桨的拉力、力矩、阻力力矩,连杆机构的多刚体力学模型。基于叶素理论,本文建立了螺旋桨在倾转过程中的动力学模型,推导了选用的四连杆传动机构的模型,分析了舵机驱动下的运动模型。综合动力、传动和输出三部分的模型,根据已有设计的物理参数,利用Matlab数值仿真方法,分析了倾转机构的运动规律,运动过程中,内部力的变化情况。考虑多连杆机构的运动学约束、舵机的扭矩大小约束、旋翼倾转的快速性要求等因素,分析了四连杆机构的设计约束,给出了一组优化的四连杆机构设计参数。(2)建立了倾转旋翼的有限元分析模型,完成了倾转机构运动学分析与运动策略优化多刚体力学模型可以描述传动机构的内部运动和动力学特性,但是也进行了一定的简化,例如忽略关节摩擦等约束,且连杆内部的受力情况无法直接得到。采用有限元分析的方法比较容易直观的了解连杆机构的全貌,连杆关节处的力和力矩可以直接计算。首先建立了倾转机构的有限元模型,完成了在舵机驱动下机构运动规律的分析。考虑到旋翼的加减速过程会导致较大的气动阻力,应尽量减少旋翼的非线性加减速过程,设计了比较优化的舵机的运动过程。将理论分析与有限元仿真相结合,突破了单一方法的局限性,找到了一种对复杂模型的研究方法。(3)基于流体力学仿真方法,完成了倾转机构动力学分析基于叶素理论建立的旋翼模型无法对运动过程细节进行描述,分析诸如倾转过程中的空气阻力、桨盘上单周期受力变化等细节问题无能为力。因此利用流体力学仿真的方法建立了旋翼的有限元模型,根据四连杆机构附加的运动学规律设计了桨盘的运动学过程。分析了桨盘在不同倾转位置的受力变化;分析了不同倾转速度和运动过程产生力和力矩的大小,从而揭示了倾转过程中剧烈抬头和向左滚转力矩产生的机理。(4)搭建了地面倾转旋翼验证平台,完成了理论分析结果的验证按照无人机实际使用的倾转机构设计,在关节处加装扭矩传感器,加装了旋翼转速和倾转角测量传感器。通过实际飞行数据分析,模拟了飞行过程中的倾转机构运动;验证了建模分析和优先于分析的结论。发现了随着倾转时间的延长和旋翼转速的降低,倾转力矩会相应减小的规律。与理论仿真分析相吻合,证明了研究的可靠性,对解决飞行中出现的实际问题具有重要意义。