四旋翼无人机机架结构设计与优化分析

摘要：随着智能制造与飞行控制技术不断进步，四旋翼无人机已在农业植保、电力巡检、灾害救援、地理测绘等领域广泛应用。机架是四旋翼无人机的核心结构组件，主要起到支撑和连接各部件的作用，机架的结构很容易影响整机飞行性能、安全性和寿命。本文综合分析四旋翼无人机运行环境与结构需求的基础上提出了系统的机架设计流程。

关键词：四旋翼；无人机；机架结构；设计

0引言

四旋翼无人机凭借结构简单、操控灵活、垂直起降和悬停能力强的优势已成为当前最受关注的微小型飞行器平台，应用场景的不断拓展对无人机性能的要求不断提高，机架作为连接飞行系统、电子系统与载荷平台的结构核心，设计质量要求自然也在不断提高。

1四旋翼无人机机架结构设计

1.1机架总体设计原则

四旋翼无人机的机架是整机结构的“骨架”，进行机架结构设计时需要综合考虑空气动力学特性、载荷分布、电气系统布局、制造加工难度以及后期维护等因素，以下将从结构可靠性、轻量化设计、模块化集成、抗振性能和可维护性等角度出发系统阐述四旋翼无人机机架的总体设计原则。

1.1.1结构可靠性与力学性能

机架首先要具备良好的结构强度和刚度以承受飞行中产生的各类载荷，因此机架设计必须重点关注电机安装点、臂梁与中心板连接部位等应力集中的区域，维持结构极限飞行状态下仍不过度变形或损坏[1]。此外，还需尽量合理布置支撑结构，提升整体刚性，避免因机架扭曲影响飞控稳定性。

1.1.2轻量化设计

满足结构强度和刚度的前提下必须尽可能减轻机架质量，一般可以采用高比强度材料（如碳纤维复合材料、铝镁合金等）降低重量；也可以通过拓扑优化、空心结构设计、材料减薄等方式减少冗余结构与多余部件，使整体设计趋于轻质高效。

1.1.3模块化与标准化集成

机架设计需具备良好的模块化特征，即各部件之间接口统一，安装孔位标准化，便于电池、飞控、电调、相机等组件快速安装更换。

1.2材料选择及结构强度分析

四旋翼无人机的选材影响结构承载能力，结构布局反过来也会限制材料适用性，为让机架具备轻量化、高强度与可制造性的优势，设计需在多轮工程迭代中不断平衡这两者，形成闭环优化。

1.2.1以任务需求为核心

设计人员设计前要结合无人机用途（如巡检、物流或测绘），设定最大起飞重量、有效载荷、电机推力需求、飞行时间等核心参数明确设备安装清单与布局，并初步估算结构质量上限。在此基础上设计师需快速建立结构草图，确定中心板与臂梁的空间布置与受力路径。此阶段不做定型，仅明确结构逻辑，作为后续选材与计算的“载体”。

1.2.2基于结构功能分区判定选材

不同结构部位承担的功能和载荷差异明显，材料选择应基于功能分区分开，具体选材路径如下：（1）臂梁承受主动力载荷，需兼具高比强度与抗扭刚度，优先考虑碳纤维管材；（2）中心板连接各模块，是载荷传导核心，强调平面刚度与加工精度，适合使用铝合金板材；（3）起落架要求柔性缓冲，适合弹性塑料或复合橡胶材质。

1.2.3同步开展结构建模与强度评估

材料组合方案确定后立即进入结构建模与分析阶段。由设计人员建立三维结构模型，并施加典型飞行载荷（如电机推力、载荷重心、惯性力），具体识别关键受力部位，如臂梁根部、中心板开孔区域等。随后进行结构静力分析，提取最大应力点与变形量，并结合所选材料的屈服极限计算安全系数[2]。某型号农用四旋翼无人机（臂展650 mm）为碳纤维复合臂与铝合金中心板组合结构，经ANSYS静力分析发现，悬停状态下臂梁根部最大应力值为72 MPa，低于碳纤维屈服强度（≥600 MPa），安全系数约为8.3。变形最大值出现在中心板边缘孔位处，为0.58mm，不影响飞控模块运行，验证了初步设计的合理性。

1.3结构构型及部件集成

构型设计需遵循以下基本原则：电机对称布置可降低横滚/俯仰耦合干扰，提高控制精度；电池、载荷、飞控尽量布置于机体中心，以降低姿态变化惯量；飞行推力与载荷应力应通过最短路径传递至中心板，避免复杂多级传力结构；结构应留有布线通道，避免交叉缠绕或暴露风险。

其次，机架并非单纯的承力结构，还需实现多个系统的空间承载与集成，设计集成时，飞控、电调、GPS、IMU 等核心电子设备要远离电机干扰和高频震动，因此布置在中心板上方，中板结构需预留安装孔阵列与走线通孔，以适配不同品牌或规格飞控模块。电机需固定于臂梁末端，保证轴向垂直于旋翼平面[3]。

1.4工艺制造及装配设计要点

不同的结构部位适用于不同的制造工艺。机架设计尽量结合零部件形状复杂度、精度要求与材料特性匹配合适的加工方式。常用制造工艺有：

（1）CNC精密加工：主要用于铝合金中心板、电机支架等关键连接部件。该工艺可确保孔位、螺纹及轮廓精度，适合小批量高强度结构的制造。

（2）碳纤维模压/拉挤：用于制造臂梁、支撑杆等长杆件，能够大幅减轻重量并提升比刚度。设计时需避免曲率过大、孔位密集等加工难点。

（3）3D打印快速成型：适合制作非承力部件、保护壳或复杂结构原型。常用于验证装配空间与接口匹配。

装配设计强调“快速定位、可靠连接、便于维护”三大原则，需要使用统一螺丝规格、孔距标准、连接方式（如M2/M3螺丝、压入螺母等）降低备件种类，便于装配与后期维护。装配时一般将机架划分为“动力臂模块”、“中心承载模块”、“电池挂载模块”、“起落缓冲模块”等多个功能子系统[4]。

2四旋翼无人机机架结构优化

2.1优化设计目标与约束条件

四旋翼无人机机架结构优化一般围绕以下几个核心目标展开：

（1）最小化结构质量：较轻的机架可使无人机搭载更多载荷，或延长飞行时间。

（2）最大化结构刚度与强度利用率：满足承载需求的前提下尽量提升材料利用率，通过优化截面形状、材料分布、加强筋布置等手段实现“刚性最大化、用材最小化”。

（3）提升动力学性能：优化后的结构应尽量避免与螺旋桨、电机等频率相近的模态响应区，降低共振风险，增强飞行控制稳定性。

为了确保优化结构具备工程实用性，还需要设定一系列几何、力学和制造层面的约束条件：

（1）结构强度约束：最不利工况下所有部位应满足强度要求。

（2）刚度和变形约束： 机架关键部位应限制最大变形，避免影响飞控精度或使设备误差放大。

（3）模态频率约束：结构第一阶模态频率应高于主旋翼频率的1.2～1.5倍，以避免共振。

2.2有限元建模与仿真分析

基于SolidWorks Simulation进行机架结构静力和模态分析，仿真设定最大总推力为30 N，每臂承担7.5 N载荷。网格类型为四边壳+实体混合单元，总节点数达36，800。计算结果显示优化前结构最大应力为98 MPa，集中于臂梁与中心板连接处，优化后通过加强筋与过渡圆角设计，使应力降低至66 MPa，整体刚度提升约25%。有限元建模流程如下：

（1）几何模型准备：基于三维CAD模型将机架结构简化为仿真适用的几何模型。简化处理主要包括：去除非承载小倒角、减震垫、安装孔螺纹等细节，保留结构主体的真实受力路径和安装面。

（2）划分网格单元：臂梁、中心板等大型面状结构优先使用四边壳单元；连接部位可使用三维实体单元捕捉应力集中效果。

（3）材料属性定义：为每个结构单元赋予相应的材料属性，若为复合材料结构，可进一步输入方向性参数或进行多层铺设模拟，增强仿真真实性。

完成建模后，结合实际安装方式，在电机安装点、中心板固定部位等位置施加合理的约束。为确保仿真覆盖所有关键飞行状态，需设定多个代表性载荷工况，包括：悬停载荷：模拟四个电机同时产生向上的推力；加速/俯冲载荷：模拟机体在转弯、俯冲等过程中产生的惯性力；冲击载荷：模拟着陆冲击或意外坠落产生的瞬时载荷；极端工况：设置不均匀推力分布，以测试结构抗不对称载荷能力[5]。

2.3优化算法与结构改进方案

完成有限元仿真与结构性能评估后，识别出的结构冗余或薄弱区域需要引入工程优化算法进行机架参数化调整重构[6]。结构优化的目标不仅限于减轻重量，更要在确保刚度、强度和装配兼容性的前提下，提升材料利用效率和飞行性能。结构优化通常遵循以下步骤：

（1）建立参数化模型：将关键结构维度、材料分布区域等设置为设计变量；

（2）定义目标函数：如“最小质量”、“最大刚度”、“模态频率最大化”等单一或复合目标；

（3）设置约束条件：包括应力限值、最大变形、频率边界、几何尺寸限制等。

结构优化后，无人机机架结构的结构质量、变形情况、模态频率都会明显改善，具体见表1。

结论：总而言之，传统的四旋翼机架结构大多基于经验法设计，有着重量偏高、局部强度不足或过度设计等缺陷，已经逐渐难以满足现代无人机轻量化、模块化和高可靠性的要求。随着先进材料（如碳纤维复合材料）与计算仿真技术的发展，只有引入有限元分析与现代优化算法，在设计阶段就进行机架结构的精细分析与迭代优化，才能大幅提升无人机结构效率与飞行稳定性。

参考文献：

[1]李志鑫，石春源，李佳乐.新型双旋翼洞穴勘探无人机设计与实现[J].机械工程师，2024，（12）：90-93.

[2]姚正康，龚鹏，姬书得.基于拓扑优化的多栖无人飞行器机身结构轻量化设计[J].机械设计，2024，41（09）：58-65.

[3]李垚.重载四旋翼无人机机架结构设计及稳定性分析[D].沈阳工业大学，2022.

[4]吕来平.基于扰动观测器的四旋翼无人机自适应动态面控制研究[D].东北电力大学，2024.

[5]刘建宏.基于模糊控制的无人机增程式混合动力能量管理策略研究[D].重庆交通大学，2024.

[6]任旭东.垂直起降固定翼无人机混合动力系统参数匹配与能量管理控制研究[D].重庆交通大学，2024.