儿时梦想号无人驾驶飞行器设计报告.docx
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儿时梦想号无人驾驶飞行器设计报告
“儿时梦想”号无人驾驶飞行器
设计报告
姓名：
李其昌
班级：
F0603025班
学号：
5060309705
目次
1.简介2
1.1市场需求分析2
1.2预期产品功能特性2
2.产品设计3
2.1设计思路来源介绍3
2.2主体草图绘制3
2.3主体设计雏形4
2.4可以直接在主体上完成的细节设计5
2.4.1后涵道风扇设计5
2.4.2垂尾设计6
2.4.3静态主体支架造型7
2.5垂直涵道螺旋桨设计7
2.6整体装配9
2.7飞行器整体造型特点介绍10
3.费用及其他事项11
3.1造价预计11
3.2适用领域分析11
3.3产品优势分析11
4.参考文献11
5.附录12
1.简介
1.1市场需求分析
随着我国综合国力的不断提高，人们的物质文化科技需求随着改革开放的进程不断提高，新型的多用途无人驾驶飞行器必将随着经济的进步渐渐走入国民生产生活的方方面面。
1.2预期产品功能特性
“儿时梦想”号无人驾驶飞行器的设计目的是为了满足军事、农业、科研等方面需要高空作业同时又没有足够大的地面面积支持时而设计的。
该飞行器结构简单，体积较小，可垂直起降，并且可以外接各种仪器设备，功能多样，拆装方便。
在造型方面，小巧美观，给人一种童趣之感，很有亲和力，因而市场销售前景比较乐观。
同时，飞行器造价不高，性价比在同类产品中有较强的竞争力。
2.产品设计
2.1设计思路来源介绍
“儿时梦想”号无人驾驶飞行器的设计灵感来源于我国传统的月饼制造模具——一只手柄，一个圆槽的主体设计简单而美观。
同时，飞行器的设计思路还来源于本人童年时代对于飞行器的喜爱。
其充满童趣的外形设计来源于本人童年时代对于梦想中的“飞机”的想象。
可以说“儿时梦想”号是传统与童趣的一次尝试性结合。
2.2主体草图绘制
“儿时梦想”号无人驾驶飞行器的整个UG造型过程是从主体草图的绘制开始的。
下面是主体草图的截图：
图一飞行器主体草图
如图一所示，草图中给出了飞行器的整体轮廓：
以X-Y平面上坐标原点（0，0）为心做圆，直径分别为42MM和60MM，作为飞行器的前端和垂直螺旋桨安装位置。
在大圆的Y轴方向前作一对称三角形，底长2MM高15MM，这是飞行器前端天线，用于接收指挥信号。
在与圆心相距90MM的Y轴负方向作一垂直对称于Y轴线段，长度为32MM。
在线段上向Y轴正方向作一凹字形槽，深10MM，宽28MM。
此处用于接下来安装后矢量喷管。
将Y负方向线段两端与大圆用直线连接并作相切约束。
构成飞行器主体侧面。
主体草图还绘出了前机翼的轮廓位置，机翼前端与小圆相切，长为38MM；侧端与机身平行，长为17MM；后端长为35MM,与机身相交。
2.3主体设计雏形
绘制完成主体草图之后，通过UGNX建立特征、特征操作工具条上的命令，进行飞行器主体的生成。
这也是整个立体设计的开始。
下图给出了主体设计完成后的效果。
图二飞行器主体效果图
第一步，选择扫描特征的拉伸命令，依次选中大圆弧、与其相切和相连的各线段、小圆，拉伸范围参数为：
START：
-9mm；END：
9mm；不选择OFFSET和DRAFT。
完成机身的雏形。
第二步，拉伸前机翼。
同上，范围参数为：
START：
-2mm；END：
2mm。
第三步，完成接收天线造型。
参数同第二步。
第四步，UGNX特征操作，主要完成主体的美化功能。
首先是各个菱角的边倒圆。
各边根据实体尺寸决定倒圆参数，其中大圆弧倒圆半径为3mm，较小的边为1mm和2mm不等。
主体侧面是不等径倒圆，参数为：
R1=0mm，R2=5mm。
接下来是接收天线的面倒圆，将天线和主体连接的面倒圆，参数是：
半径2mm。
注意面倒圆之前需将天线和主体做布尔运算使其成为一个整体。
为使机翼成型，需对其进行倒斜角操作。
选择ASYMMETRICOFFSETS（不对称偏置）命令，选择机翼侧面边线，参数为OFFSET2，25；选择机翼前端面上边线，参数为OFFSET1，10。
最后将倒过斜角的机翼各边倒圆角，参数为0.5，1等，在此不再详述。
下面进行尾部矢量喷管安装位置的造型。
选择生成圆柱命令，选择DIAMETER,HEIGHT选项，选择YC方向，设置DIAMETER为30mm，HEIGHT为18mm，指定圆柱底面坐标为X-0，Y-50，Z-0。
选择布尔运算为SUBTRACT（相减）。
完成操作之后进行边角的倒圆角操作。
至此，飞行器主体设计完成。
2.4可以直接在主体上完成的细节设计
本步骤主要完成的是喷灌造型，垂尾造型和支架造型。
因为这些部件与主体的位置关系比较复杂，如果使用装配命令造型的话参数较为复杂，故在造型过程中选择直接在主体上设置基准面直接在面上设计造型。
2.4.1后涵道风扇设计
涵道风扇主要分两部分：
管体和旋转叶片。
管体主要由圆柱底盘、圆环保护套、导向台孔组成。
旋转叶片是由十片有倾角的平面叶片组成的。
造型过程中主要用到生成基准平面、曲线造型、曲面生成等命令。
下图是喷管的3D效果图：
图三后涵道风扇造型
在主体后部留的的凹槽底面建立平面，以次平面为基准依次向外建立实心圆柱，直径32mm，高10mm；空心管道，外径32mm，内径29mm；空心圆台，底面外直径32mm，内直径29mm，顶面外直径28mm，内直径25mm，高15mm。
同时在圆柱轴线方向上作一线段，长度为20mm。
此线段作为旋转叶片的轴线。
以上述线段为轴，从两端开始分别作十条辐射状的线段，长度为12mm，并将线段端点相连接。
选择STUDIOSURFACE2*2命令，依次选中上述矩形的四条边线即可。
选择THICKENSHEET命令，给生成的十个曲面加厚。
参数为：
FIRSTOFFSET：
0.3~0.0mm。
选择TUBE命令，选中上述轴线，设置参数为：
OUTERDIAMETERT：
3mm，INNERDIAMETERT：
0mm。
生成转轴。
完成后对各边角进行倒角，参数为0.5~1mm不等。
后涵道风扇完成。
2.4.2垂尾设计
垂尾造型是一个典型的SWEPT（扫描）、IBBONBUILDER命令。
下图是垂尾的造型效果。
图四垂尾造型
在飞行器主体上建立平面①，距离此平面15mm处建立平行平面②，垂直此平面建立平面③，再建立平面④⑤，使其分别与平面③夹三十度、负三十度的倾角。
适当平移平面④⑤使其位置适合建立垂尾。
建立平面完成之后，在平面①与平面④相交直线两旁附近作一封闭曲线，在平面②与④交线附近做上述曲线的类似形，位置较靠后，大小较小。
在平面④上作两条直线，将上述俩曲线的端点相连。
使用镜像命令，在对称位置生成相同曲线造型。
使用SWEPT命令，依次选中上述线段。
使用RIBBONBUILDER命令，设置参数OFFSERTDISTANCE：
5mm，ANGLE：
0DEG，MINIMUMRADIUS：
1.0mm，分两次选中曲面顶的两段弧线，选择好向内方向后生成两片相交的曲面，进行布尔运算，取相交的部分即可。
垂尾造型完成。
2.4.3静态主体支架造型
在建立草图的平面向下平移18mm建立支架造型所在平面。
支架曲线造型和主体相仿，前后各是两个圆弧，直径分别是80mm和50mm。
之间用相切直线连接。
下图是支架的效果图：
图五静态主体支架造型
沿支架曲线建立管道，TUBE命令参数为OUTERDIAMETERT：
3mm，INNERDIAMETERT：
0mm。
在支架适当位置选取三点，并与主体之间作四条线段，重复TUBE命令即可生成支架与主体的连接部分。
完成后作布尔运算，将支架和主体合并成为一个BODY。
2.5垂直涵道螺旋桨设计
由于垂直函道螺旋桨的安装位置和主体圆槽函道相重合，坐标原点一致，故可重新建立文件单独完成函道螺旋桨的设计。
第一步是完成螺旋桨曲面的生成。
下图给出了螺旋桨的效果图，下面结合效果图简单介绍一下具体操作过程。
图六螺旋桨造型
建立原点坐标系，在Z轴负方向4.5mm处建立与X-Y平面平行的平面①，再做其垂直平面，转30°角作平面②并水平移动18mm再做平面③。
这样就将螺旋桨所需平面建立完成了。
在平面②上做曲线，以原点为起点，参数为：
LENGTH2.5mm，ANGLE25deg；LENGTH1.5mm，ANGLE40mm。
在平面③上做曲线，以原点为起点，参数为：
LENGTH1mm，ANGLE25deg；LENGTH1mm，ANGLE40mm。
连接两条曲线的端点，使用FREEFROMSHAPE工具条上的FOURPOINTSURFACE命令依次选中曲线造型的四个端点，曲面造型完成。
最后使用THICKENSHEET命令，给生成的曲面加厚。
参数为：
FIRSTOFFSET：
0.3~0.0mm。
重复上述操作，修改平面位置，生成另外两片叶片。
接下来是函道造型的设计。
下图给出了函道造型的效果图：
图七垂直函道螺旋桨造型
在X-Y-Z坐标系的X-Y平面上作两同心圆，直径42mm和40mm，取大圆的四分点连两条直线。
选择两同心圆作拉伸，拉伸起点-9mm，终点9mm。
选择两直线，分别作管道，内直径0mm，外直径2mm。
Z正方向上作直线，长9mm，以其为轴作管道，内直径0，外直径3mm；Z负方向上作直线，长4.5mm，同样作管道，内直径0，外直径4mm，刚好与螺旋桨衔接上。
在Z正方向上做圆锥，底在外径3mm的管道表面上，直径2.5mm，高10mm。
做完之后布尔运算将实体合并成为一个BODY。
2.6整体装配
在主体造型文件中选择下拉菜单ASSEMBLIES—>COMPONENES—>ADDEXISTING，在SELECTPART对话框中单击CHOOSEPARTFILE按钮，选择垂直函道螺旋桨造型所在文件，设置加入组件的原点为（0，0，0）即可完成组件的添加。
最后在机翼两侧插入文本“SJTUDREAM”，参数为：
COMICSANSMS；WESTERN，加粗。
至此飞行器造型基本完成。
剩下的工作只是将飞行器表面的颜色进行适当的调整，使其较为美观即可。
下图是飞行器的主体效果。
图八飞行器装配完成效果图
2.7飞行器整体造型特点介绍
“儿时梦想”号无人驾驶飞行器的最大造型特点在于其整体造型紧凑且富有童趣。
来源于月饼模具的主体造型富有传统美感和艺术效果。
圆弧形的起落架与主体造型相映生辉，即满足了实用性也提高了飞行器的安全性，增强了可控制性。
本设计属于涵道风扇式垂直起落无人机，将采用两台台微型发动机，其中一台发动机分安装在飞行器的中央涵道内，通过发动机的工作，直接带动螺旋桨的旋转，给空气一个向下的力，反作用力就成为了飞行器盘旋阶段的升力和向前飞行时的飞行动力。
第二台发动机安装在尾部，驱动尾部涵道风扇，给飞行器一个推力。
另外，在无人机上装2片机翼用来提供部分升力，装上二片垂尾用来控制航向稳定性。
机体设计为中空结构，里面可以存放燃油和一些机载设备，中间旋翼系统通过固定片与机体连接，固定片也设计为中空结构，可以充当燃油通道。
主要工作器材安装位置是位于中央函道螺旋桨上方的圆锥型管体，可以安装温度传感器、湿度传感器、风速计、高清摄像头等专门设计的各种装置，拆装简单方便，机动性能良好。
可使用全球定位卫星系统制导，不需要任何人工辅助此无人机就能做垂直起飞，向前飞行、自主飞行，随后返回到起飞位置并垂直着陆。
3.费用及其他事项
3.1造价预计
限于本人知识面的限制，且材料市场价格变化较大，故不能完全准确预计飞行器造价。
不过限于飞行器体型较小，中空结构较多，模具造型较为简单等因素，可以预计本飞行器造价在15万元人民币附近。
应该应用于工农业生产和科研军事行业还是市场较为容易接受的。
本
3.2适用领域分析
随着时代的发展，无人机在社会的各个领域起着越来越重要的作用，本无人机适用于军事、民用和科研三大领域:
在军事上，可用于侦察监视、通信中继、电子对抗、火力制导、战果评估、骚扰诱惑、目标模拟和早期预警等；
在民用上，可用于大地测量、城市环境检测、地球资源勘测和森林防火、农业勘测、交通、民用导航、环境保护、边境巡逻与控制、自然灾害的监视与救援等；
在科研上，可用于大气研究、气象观测、对核生化污染区的采样与监控、新技术新设备和新飞行器的试验验证等。
3.3产品优势分析
1，成本低，经济实用性好，而且其使用维护费用低；
2，无人员伤亡和被俘的风险，可深入敌纵深军事要地上空实施侦察和作战；
3，本无人机体积小，重量轻，机动性好；
4，可垂直起降（不要求有专门设备和机场起降），从而便于跟随野战部队行动作战；
5，可长时间在空中盘旋，便于定点对目标进行观察和监控；
6，安全，所有螺旋桨都放在涵道内，不易伤人；
7，飞行时发出很低的噪音和微弱的红外线信号，具有较好的隐身功能。
4.参考文献
《UGNX4.0基础与进阶》杨培中机械工业出版社
《UGNX4.0基础教程（附盘）》李长春、王锦人民邮电出版社
《UGNX4工业设计培训教程（附盘）》李颖晴李开林黄志强清华大学出版社
5.附录
产品及部分组件三视图。
附图一螺旋桨俯视图
附图二螺旋桨下视图
附图三涵道风扇侧视图
附图四函道风扇俯视图
附图五整体设计俯视图
附图六整体设计侧视图
附图七整体设计前视图
附图八整体设计后视图
附图九工程图（未标注尺寸）
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