留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

系留无人机在动态风环境中的响应分析

江鸿博 刘超峰 汤志仁 侯飞宇

江鸿博, 刘超峰, 汤志仁, 侯飞宇. 系留无人机在动态风环境中的响应分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(2): 201-208. doi: 10.12299/jsues.24-0072
引用本文: 江鸿博, 刘超峰, 汤志仁, 侯飞宇. 系留无人机在动态风环境中的响应分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(2): 201-208. doi: 10.12299/jsues.24-0072
JIANG Hongbo, LIU Chaofeng, TANG Zhiren, HOU Feiyu. Response analysis of tethered UAV in dynamic wind environment[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(2): 201-208. doi: 10.12299/jsues.24-0072
Citation: JIANG Hongbo, LIU Chaofeng, TANG Zhiren, HOU Feiyu. Response analysis of tethered UAV in dynamic wind environment[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(2): 201-208. doi: 10.12299/jsues.24-0072

系留无人机在动态风环境中的响应分析

doi: 10.12299/jsues.24-0072
详细信息
    作者简介:

    江鸿博(1999 − ),男,硕士生,研究方向为飞行器设计。E-mail:m310121146@sues.edu.cn

    通讯作者:

    刘超峰(1978 − ),男,高级工程师,博士,研究方向为飞行器设计。E-mail:liucf@sues.edu.cn

  • 中图分类号: V19

Response analysis of tethered UAV in dynamic wind environment

  • 摘要: 为探究系留无人机(UAV)的气动性能以及线缆的变形情况,进行系留无人机的动力响应分析。构建系留无人机模型,采用流−固耦合的分析方法、标准k-ε湍流模型和滑移网格技术进行数值模拟,研究不同风速下侧风对系留无人机系统的动力学性能。结果表明,随着侧向风速增加,涡强度显著增加,来风一侧尤为明显。系缆在风力和自身重力的共同作用下发生形变,最大形变量出现在特定位置,且随风速变化而变化,最大形变量为448 mm,10 s内整体平均形变量为145 mm。这一结果可为系留无人机的设计和使用条件提供参考。
  • 图  1  无人机局部几何模型

    Figure  1.  Local geometric model of UAV

    图  2  无人机简化模型

    Figure  2.  Simplified model of UAV

    图  3  系留无人机的数值模拟流域设计

    Figure  3.  Numerical simulation of tethered UAV basin design

    图  4  网格数量无关性分析

    Figure  4.  Grid number irrelevance analysis

    图  5  各部分网格图

    Figure  5.  Grid diagrams for each section

    图  6  模块连接方式

    Figure  6.  Module connection method

    图  7  无人机性能估算曲线

    Figure  7.  Performance estimation curve of UAV

    图  8  来流侧风曲线

    Figure  8.  Wind speed change curve

    图  9  1~10 s的速度云图

    Figure  9.  Velocity contour from 1 to10 s

    图  10  9 s内系留线缆总形变展示

    Figure  10.  Demonstration of total deformation of tethered cable in 9 s

    图  11  线缆最大形变和平均形变曲线

    Figure  11.  Maximum and average cable deformation curves

    图  12  线缆上下端点的等效应力曲线

    Figure  12.  Equivalent force curves at upper and lower endpoints of cable

    表  1  聚四氟乙烯基本参数

    Table  1.   PTFE basic parameters

    参数名称 数值
    弹性模量/ MPa 280
    泊松比 0.4
    密度/ (g·cm-3) 2.2
    下载: 导出CSV
  • [1] NICOTRA M M, NALDI R, GARONE E. Nonlinear control of a tethered UAV: the taut cable case[J] . Automatica, 2017, 78: 174 − 184. doi: 10.1016/j.automatica.2016.12.018
    [2] DICEMBRINI E, SCANAVINO M, DABBENE F, et al. Modelling and simulation of a tethered UAS[C] //Proceedings of 2020 International Conference on Unmanned Aircraft Systems. Athens: IEEE, 2020: 1801 − 1808.
    [3] 邢龙涛, 刘习军, 张素侠. 系留无人机系统振动特性分析[J] . 应用力学学报, 2021, 38(1): 106 − 112. doi: 10.11776/cjam.38.01.C075
    [4] KUMAR R, AGARWAL S R, KUMAR M. Modeling and control of a tethered tilt-rotor quadcopter with atmospheric wind model[J] . IFAC-PapersOnLine, 2021, 54(20): 463 − 468. doi: 10.1016/j.ifacol.2021.11.216
    [5] JOSHI V, JAIMAN R K, OLLIVIER-GOOCH C. A variational flexible multibody formulation for partitioned fluid–structure interaction: application to bat-inspired drones and unmanned air-vehicles[J] . Computers & Mathematics with Applications, 2020, 80(12): 2707 − 2737.
    [6] 刘聪, 魏志强, 韩红蓉, 等. 侧风作用下无人机旋翼悬停状态气动响应分析[J] . 中国安全科学学报, 2021, 31(9): 106 − 112.
    [7] 翁佳文, 邵伟平, 郝永平, 等. 基于流固耦合的共轴双旋翼气动性分析[J] . 沈阳理工大学学报, 2022, 41(4): 78 − 83.
    [8] DE CASTRO D F, SANTOS J S, BATISTA M, et al. Modeling and control of tethered unmanned multicopters in hovering flight[C] //Proceedings of the AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference. Dallas: AIAA, 2015: 2333.
    [9] 董军, 叶靓. DDES方法在复杂旋翼流场计算中的应用[J] . 航空学报, 2018, 39(6): 121689.
    [10] YANG F B, XUE X Y, ZHANG L, et al. Numerical simulation and experimental verification on downwash air flow of six-rotor agricultural unmanned aerial vehicle in hover[J] . International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2017, 10(4): 41 − 53. doi: 10.25165/j.ijabe.20171004.3077
    [11] ZHANG S X, TANG Y Q, LIU H X. Snap tension in mooring lines of deepwater platform[J] . China Ocean Engineering, 2009, 23(3): 415 − 428.
  • 加载中
图(12) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  15
  • HTML全文浏览量:  7
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-17
  • 网络出版日期:  2025-09-30
  • 刊出日期:  2025-06-30

目录

    /

    返回文章
    返回