随着航空航天技术和计算机技术的进步,旋翼无人机发展迅猛,多用于作物评估、牧群监测、疾病监测、水分监测、作物植保等方面。旋翼系统是旋翼无人机最具特色的系统,旋翼系统的构型日趋简单化,但对于旋翼系统的技术研究越发深入。旋翼试验台主要功能是完成旋翼的气动特性、动力学分析、飞行力学等物理特性的试验研究,并通过试验测试保证旋翼组的动态平衡,为旋翼的安全可靠提供保障,为旋翼的理论研究提供试验验证,保证旋翼系统的可靠性。目前,旋翼试验台多选用电动机作为动力来源,旋翼系统运载能力难以有效提升,无法进行发动机性能对旋翼系统气动、动力学问题的试验研究,且在试验过程中试验台各系统振动现象明显,影响旋翼试验台性能,同时试验成本高、周期长。因此,为便于旋翼系统的设计和旋翼试验的开展,本文开展了旋翼试验台的相关设计研究。本文依托云南省赵春江院士工作站项目开展研究工作,具体研究内容如下:(1)提出了试验台的总体设计方案,主要包括:旋翼系统、动力系统、机械传动系统、台体结构方案设计。旋翼系统主要包括桨叶、桨毂、桨夹、紧固件。动力系统由DLE430航空发动机、离合器及调速系统组成。传动方案选用带传动与齿轮传动相结合的方式。考虑到旋翼系统在试验状态下的强度、刚度、振动及精度等技术指标,并结合安装、维修需要,进行试验台台体结构设计。(2)在了解油动大载荷旋翼无人机的空气动力特性的基础上,运用ANSYS软件对试验台进行仿真分析,包括试验台台体的模态分析,发动机支架的模态分析,得出试验台台体振动频率范围为17.713-96.876Hz,发动机支架的振动频率范围为490.87-1743.4Hz,验证试验台能够达到避免发动机共振的要求。对桨毂进行强度分析,验证桨毂强度完全满足试验要。对旋翼系统进行预应力模态分析,得出旋翼系统的固有频率在39.984-238.14Hz范围内,在进行旋翼试验台试验时,需要控制好发动机转速和旋翼转速,使旋翼系统工作转速远离其固有频率,并避开试验台台体固有频率,从而达到避免共振的效果。同时对旋翼系统进行流场仿真分析,进一步了解了旋翼系统的气动性能,为后续的旋翼性能试验提供了参考,验证了试验台的可靠性和适用性。(3)运用CATIA软件对旋翼试验台进行了建模与虚拟装配,在旋翼试验台的制造装配前进行模型的迭代和优化,保证了试验台实际加工制造的准确性。同时完成动力系统、机械传动系统、台体结构、旋翼系统等各子系统的性能调试和完整性检查,确保旋翼试验台能够满足旋翼性能试验要求。(4)基于旋翼试验台,开展旋翼性能试验,通过旋翼倾角试验分析,选取旋翼倾角为10°进行旋翼性能单因素试验,结合试验结果对数值模拟方法进行验证分析,分析结果表明所采用的数值模拟与试验分析结果拟合度较高。为探究旋翼参数与旋翼性能以及发动机性能的之间的相互影响,以旋翼倾角、旋翼轴转速以及旋翼扭矩为试验因素,以旋翼升力、发动机转速为优化指标,运用Design-Expert软件设计三因素三水平的正交试验并对数据进行分析处理。由试验结果可知影响旋翼升力的主次顺序为:旋翼转速、旋翼倾角、旋翼片驱动扭矩;影响发动机转速的主次顺序为:旋翼转速、旋翼倾角、旋翼片驱动扭矩。随后,通过响应曲面分析,分析结果表明各因素取得最优值后可取得旋翼升力最大化的解决方案为:旋翼倾角12.39°、旋翼片转速1200rpm、旋翼片驱动力矩380Nm,此时旋翼升力为459N。各因素取得最优值后可取得发动机转速和功率最大化的解决方案为:旋翼倾角5°、旋翼片转速1200rpm、旋翼片驱动力矩300Nm,此时发动机转速为6183.63rpm。最后进行验证试验,试验结果表明最优的参数组合满足设计要求。