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[摘 要]针对无人机云台的主要结构件云台框架进行了结构设计，应用Ansys Workbench对其进行静力学和动力学的有限元分析。静力学分析表明该云台框架的最大应力37.504MPa小于材料的屈服强度，云台框架结构满足强度要求。
[关键词]云台结构；静力学分析；模态分析；有限元分析
中图分类号：TP271+.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0092-02
0引言
21世纪以来，随着无人机技术的突飞猛进，无人机已经变得非常普及。从军用到勘探、商用以及民用领域均能看到无人机的身影，并且无人机在这些领域都发挥着相当重要的作用。
本文所研究的云台框架作为方位转动结构和俯仰支撑结构，其结构稳定性直接影响到成像质量，对其进行刚度分析和强度校核，以检验云台是否满足设计要求[3]。因此，采用有限元分析软件Ansys Workbench对云台框架结构进行静力学分析和模态分析对云台设计性能的提升具有重要指导意义。
1云台框架三维结构
本文所涉及的云台结构具有水平旋转和俯仰旋转两个自由度，所以将其结构设计成框架式。结构形式如图1所示，此结构中的云台框架是相机实现俯仰旋转和水平支撑的重要零件。其上端通过一根竖轴与水平电机连接实现水平旋转，下端框架两侧中部位置横穿俯仰轴与相机和俯仰电机连接，实现相机的俯仰旋转功能。采用三位建模软件Solidworks建立云台框架的三位模型如图2所示。框架上的四个凸缘处是用来挂载额外负载的部位，可以使得无人机可以挂载更大型的航拍设备。
2有限元分析
2.1静力学分析
采用有限元分析软件对云台框架结构进行静力学分析可以模拟其在真实工作状态时即受载时结构各处产生的位移以及应力大小，有助于检验云台框架结构的薄弱位置，对结构设计起到指导作用。几何模型在导入到AnsysWorkbench软件之前需要对三维模型进行简化，其简化基本原则为[4]：将模型中细小尺寸的特征进行省略，比如倒角、定位销孔、沉孔等；结构中依靠螺栓连接的零件直接一体化处理等。本结构对于螺栓孔、倒角、沉孔和不影响结构静力分析结果的小尺寸部位进行省略处理。由于无人机体积小，功率小，承载能力小，所以机载云台的设计也要求体积小，质量轻，所以云台框架的材料选用PA6，其弹性模量为2620Mpa，泊松比为0.34，密度为1.12e-3g/mm2。
在模型简化之后赋予材料PA6，然后对其进行网格划分，控制网格类型为六面体结构，网格大小控制在2mm，共产生98075个单元和330197个节点。根据云台的受载情况对云台框架施加边界条件，包括水平旋转需要抵抗的扭矩、俯仰旋转需要抵抗的扭矩以及凸缘处挂载的外载荷和云台框架的固定约束等。最终得到的有限元模型如图3所示，其边界条件的定义如图4所示。
云台框架在云台结构中的作用主要有两个：一是支撑俯仰部分和俯仰驱动点击使其可以实现俯仰旋转动作；二是经过轴与水平电机连接带动其下部结构进行水平旋转动作。受到水平电机的驱动，云台框架两边的悬臂支架会对俯仰机构产生一个位于水平面内的扭转力；受到俯仰电机驱动则安装电机的一侧悬臂支架会产生一个位于竖直平面内的扭转力；而云台框架四个凸缘增加额外载荷则会产生一个沿重力方向的外力。具体的静力学分析结果如下：图5为框架的变形云图，图6为框架的应力云图。
查看图5，红色标记的凸缘位置为最大位移产生的部位，其值为1.2415mm。图6中应力最大点位于框架上板面和上轴部交叉处，最大值为37.504MPa。由上述分析中提到的云台框架的受力情况结合图4中施加的力载荷的方向进行分析，俯仰旋转对框架右侧悬臂支架产生的扭转力和水平旋转对框架两侧悬臂支架产生的扭转力形成的合力方向通过图6所示应力最大点位置，因为此处在结构上具有突变的特性，所以应该称为应力最大点。而距离此点最近的一个凸缘则产生一个绕其旋转的位移，则凸缘最远端为位移最大点。经过分析，静力學分析仿真结果符合实际情况，且其最大应力37.504MPa小于PA6材料的屈服强度。证明云台框架在其工作状态下的稳定性满足要求。
2.2模态分析
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。对机械结构进行模态分析可以得到机械结构不同阶数的固有频率和振型，指导结构改进且为系统振动主动控制中的控制器的设计提供技术参数[5]。由于低阶模态对云台框架结构相应影响大，因此计算出其前六阶固有频率如图7所示。
云台框架的模态分析结果图表1所示，结构的刚度特性主要反映在其低阶模态，由一阶模态可以得到云台框架的基频为268.28Hz，左侧悬臂绕X轴的转动。云台选用的电机为直流无刷电机，其频率大约为80Hz。无人机桨叶转速为2000r/min时的基频为100Hz[6]。云台框架的基频大于无人机和电机的固有频率，有效避免了共振的产生，云台的抗干扰能力满足要求。从上述云图也可分析出云台框架二阶模态结果两侧悬臂绕X轴转动的振动较为剧烈，可以在两侧悬臂内侧增加加强筋来减小其振动。
3结论
对无人机云台框架进行了结构设计并建立了三维模型。建立有限元模型，对其进行静力学分析的结果，最大应力为37.504MPa，小于云台材料的屈服强度，表明该结构在强度上满足要求。对其进行动力学模态分析了解了云台框架结构的前六阶振型特点，基频为268.28Hz，避免了与驱动电机和无人机产生共振。二阶振型振动较为严重，考虑结构需要进行改进。对云台框架结构进行有限元分析为结构优化和云台整体结构的进一步设计提供了依据。
参考文献
[1]胡相斌，李青富.基于遥感遥测的无人直升机航拍用三维云台的设计[J].兰州石化职业技术学院学报，2014，14（3）：18-20.
[2]李全超，谭淞年.某红外相机稳定平台框架结构设计与分析[J].红外技术，2016，38（9）：728-732.
[3]王平，张国玉，六家燕，等.机载光电平台内框架拓扑优化设计[J].机械工程学报，2014，50（13）：135-141.
[4]AMY R A， AGLIETTI G S， RICHARDSON G. Accuracy of Simplified Printed Circuit Board Finite Element Models[J]. Microelectronics Reliability， 2010， 50（1）：86-97.
[5]陈祝权，梁晓合，林粤科，等.六自由度串联机器人结构设计及有限元分析优化[J].机床与液压，2013，41（23）：97-101.
[6]周志峰，石旭伟，俞竹青.机载天线稳定平台的结构设计及有限元分析[J].制造业自动化，2017，39（11）：60-64.
[关键词]云台结构；静力学分析；模态分析；有限元分析
中图分类号：TP271+.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0092-02
0引言
21世纪以来，随着无人机技术的突飞猛进，无人机已经变得非常普及。从军用到勘探、商用以及民用领域均能看到无人机的身影，并且无人机在这些领域都发挥着相当重要的作用。
本文所研究的云台框架作为方位转动结构和俯仰支撑结构，其结构稳定性直接影响到成像质量，对其进行刚度分析和强度校核，以检验云台是否满足设计要求[3]。因此，采用有限元分析软件Ansys Workbench对云台框架结构进行静力学分析和模态分析对云台设计性能的提升具有重要指导意义。
1云台框架三维结构
本文所涉及的云台结构具有水平旋转和俯仰旋转两个自由度，所以将其结构设计成框架式。结构形式如图1所示，此结构中的云台框架是相机实现俯仰旋转和水平支撑的重要零件。其上端通过一根竖轴与水平电机连接实现水平旋转，下端框架两侧中部位置横穿俯仰轴与相机和俯仰电机连接，实现相机的俯仰旋转功能。采用三位建模软件Solidworks建立云台框架的三位模型如图2所示。框架上的四个凸缘处是用来挂载额外负载的部位，可以使得无人机可以挂载更大型的航拍设备。
2有限元分析
2.1静力学分析
采用有限元分析软件对云台框架结构进行静力学分析可以模拟其在真实工作状态时即受载时结构各处产生的位移以及应力大小，有助于检验云台框架结构的薄弱位置，对结构设计起到指导作用。几何模型在导入到AnsysWorkbench软件之前需要对三维模型进行简化，其简化基本原则为[4]：将模型中细小尺寸的特征进行省略，比如倒角、定位销孔、沉孔等；结构中依靠螺栓连接的零件直接一体化处理等。本结构对于螺栓孔、倒角、沉孔和不影响结构静力分析结果的小尺寸部位进行省略处理。由于无人机体积小，功率小，承载能力小，所以机载云台的设计也要求体积小，质量轻，所以云台框架的材料选用PA6，其弹性模量为2620Mpa，泊松比为0.34，密度为1.12e-3g/mm2。
在模型简化之后赋予材料PA6，然后对其进行网格划分，控制网格类型为六面体结构，网格大小控制在2mm，共产生98075个单元和330197个节点。根据云台的受载情况对云台框架施加边界条件，包括水平旋转需要抵抗的扭矩、俯仰旋转需要抵抗的扭矩以及凸缘处挂载的外载荷和云台框架的固定约束等。最终得到的有限元模型如图3所示，其边界条件的定义如图4所示。
云台框架在云台结构中的作用主要有两个：一是支撑俯仰部分和俯仰驱动点击使其可以实现俯仰旋转动作；二是经过轴与水平电机连接带动其下部结构进行水平旋转动作。受到水平电机的驱动，云台框架两边的悬臂支架会对俯仰机构产生一个位于水平面内的扭转力；受到俯仰电机驱动则安装电机的一侧悬臂支架会产生一个位于竖直平面内的扭转力；而云台框架四个凸缘增加额外载荷则会产生一个沿重力方向的外力。具体的静力学分析结果如下：图5为框架的变形云图，图6为框架的应力云图。
查看图5，红色标记的凸缘位置为最大位移产生的部位，其值为1.2415mm。图6中应力最大点位于框架上板面和上轴部交叉处，最大值为37.504MPa。由上述分析中提到的云台框架的受力情况结合图4中施加的力载荷的方向进行分析，俯仰旋转对框架右侧悬臂支架产生的扭转力和水平旋转对框架两侧悬臂支架产生的扭转力形成的合力方向通过图6所示应力最大点位置，因为此处在结构上具有突变的特性，所以应该称为应力最大点。而距离此点最近的一个凸缘则产生一个绕其旋转的位移，则凸缘最远端为位移最大点。经过分析，静力學分析仿真结果符合实际情况，且其最大应力37.504MPa小于PA6材料的屈服强度。证明云台框架在其工作状态下的稳定性满足要求。
2.2模态分析
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。对机械结构进行模态分析可以得到机械结构不同阶数的固有频率和振型，指导结构改进且为系统振动主动控制中的控制器的设计提供技术参数[5]。由于低阶模态对云台框架结构相应影响大，因此计算出其前六阶固有频率如图7所示。
云台框架的模态分析结果图表1所示，结构的刚度特性主要反映在其低阶模态，由一阶模态可以得到云台框架的基频为268.28Hz，左侧悬臂绕X轴的转动。云台选用的电机为直流无刷电机，其频率大约为80Hz。无人机桨叶转速为2000r/min时的基频为100Hz[6]。云台框架的基频大于无人机和电机的固有频率，有效避免了共振的产生，云台的抗干扰能力满足要求。从上述云图也可分析出云台框架二阶模态结果两侧悬臂绕X轴转动的振动较为剧烈，可以在两侧悬臂内侧增加加强筋来减小其振动。
3结论
对无人机云台框架进行了结构设计并建立了三维模型。建立有限元模型，对其进行静力学分析的结果，最大应力为37.504MPa，小于云台材料的屈服强度，表明该结构在强度上满足要求。对其进行动力学模态分析了解了云台框架结构的前六阶振型特点，基频为268.28Hz，避免了与驱动电机和无人机产生共振。二阶振型振动较为严重，考虑结构需要进行改进。对云台框架结构进行有限元分析为结构优化和云台整体结构的进一步设计提供了依据。
参考文献
[1]胡相斌，李青富.基于遥感遥测的无人直升机航拍用三维云台的设计[J].兰州石化职业技术学院学报，2014，14（3）：18-20.
[2]李全超，谭淞年.某红外相机稳定平台框架结构设计与分析[J].红外技术，2016，38（9）：728-732.
[3]王平，张国玉，六家燕，等.机载光电平台内框架拓扑优化设计[J].机械工程学报，2014，50（13）：135-141.
[4]AMY R A， AGLIETTI G S， RICHARDSON G. Accuracy of Simplified Printed Circuit Board Finite Element Models[J]. Microelectronics Reliability， 2010， 50（1）：86-97.
[5]陈祝权，梁晓合，林粤科，等.六自由度串联机器人结构设计及有限元分析优化[J].机床与液压，2013，41（23）：97-101.
[6]周志峰，石旭伟，俞竹青.机载天线稳定平台的结构设计及有限元分析[J].制造业自动化，2017，39（11）：60-64.