作者：中国旋翼机网站 会员 hhe
一直以来总想等到技术、材料、制造工艺等等条件成熟以后再开始做旋翼机的设计。
上周末与NCL交流了很多问题，思路开阔了很多！
有了一个想法：抛开现有的制造条件和制造材料这两个问题，我们同样可以做旋翼机的设计，做这件事的过程本质也是为制造出真实旋翼机积累经验的过程。(当旋翼机的设计逐渐成熟之后，说不定相应的材料及制造条件也成熟了)
旋翼机的主要原理已经很成熟，旋翼及发动机等影响气动性能的主要因素我暂时不考虑进去。(旋翼和发动机性能只要达标，相性都能飞的起来。）
第一步：机架主结构设计
设计目标：
1. 强度，机架结构需能够承受 垂直方向10G 水平方向10G 侧向5G 的冲击载荷。
2. 振动性能，机架结构的自振频率与旋翼旋转频率分离，避免旋翼振动激励与机架的共振。
3. 质量，尽可能轻。
4. 刚度，没有严格要求。
（设计目标的选定，特别是强度的载荷条件是我拍脑袋定下来的，欢迎大家补充和修正）
设计材料的选择：暂定为钢管焊接而成（受德国MT-03的影响）
为了确立机架的结构形式，我打算借助CAE的拓扑优化设计方法来确定机架的概念设计：
优化目标：机架结构最轻
优化约束：在前后10G 上下10G 左右5G 三种载荷下，结构材料应力水平不超过150MPa（钢材的断裂极限一般都在200Mpa左右）
下两图是我做的单人旋翼机的基本布置图,（质量分布以及个组件质心位置）
绿色区域是机架的设计空间
如果这个质量的分布和组件的布置没有大的出入，最后我们可以得到一个相对比较优化的一个机架的结构形式。
请大家帮我看看这个总布置图有什么不合理的地方？有了合理的布置接下来的设计才能继续，谢谢！
相关讨论：
讨论一：ncl
相互交流相互进步! 我提出几点意见请参考.
1. 人的重心最好在推力线上, 对整机重心影响小.
2. 推力线在整机重心下面.
3. 后轮水平线位置不要离整机重心太进, 着落方向纠偏力距会小些.
4. 最好使用高垂尾, 稳定性强且重心离推力线近.
5. 螺旋浆安装在发动机下方, 易平衡整机重心.
6. 发动机和尾翼重量设定值偏高了.
7. 不必计算旋翼重量对整机重心的影响.
8. 上次交流时, 我设计的第二架旋翼机结构方案可借鉴。
作者回复：多谢NCL的回复
我会做适当的调整。
对于 3. 后轮水平线位置不要离整机重心太进, 着落方向纠偏力距会小些. 7. 不必计算旋翼重量对整机重心的影响.
这两个问题我还不是太明白，请详细解释一下。
一旦基本布置确定之后，第一步我要做的是确立最优化的结构形式。
目前的绿色区并非现有的机架形式，而是机架结构的设计空间，
分析完毕的结果是在这个设计空间中形成一个最佳的结构骨架形式。
基本流程就像下图那样：
根据NCL的建议,我的总布置做了新的改动
1.将座椅位置提高
2，发动机位置提高（螺旋桨位置不变）
3.后轮挪后了80mm（后轮位置在设计基本成熟之后还会根据整机降落时的动态表现作调整）
4.质量做了微小的变动
以下是当前更新后的总布置图，推力线暂时低出重心30mm,(将机架重量考虑进去之后有可能会高出重心一点，到时候再根据具体情况做组件位置的调整)
ncl回复：
先解答一下第三问题吧.。仔细阅读下面图片。
讨论二：虎牙两颗
听过飞过旋翼机的朋友讲，起跑和降落的滑行并不容易操控，结合我在造机当中对起落架的安装位置和布局的思考，将个人观点图解如下，由于文化程度有限，还请HHE和兄弟们用更加理论性的分析给予解释这里的力矩关系。
讨论三：hhe
今天上班开些小差。试算了一下优化模型，结果还算合理，但是有点出乎意料，这个计算结果实际运用上不太合理。我得好好想想怎么改改优化的条件设置了。
修改了设计空间，优化出来的主结构还算是在预料之内，如下图：
综合了结构、外观、装配的一些因素，基于钢管结构的第一套机架概念设计做出来了。基本架构形式参考MT03，不过关键细节上有一些差别。选用65*65*3钢管，连接是焊接。目前机架总重约为42kg。目前整机包含乘员约为250Kg左右。（如果加入机壳，电器设备等等，也许会有约20kg的质量增加）。
机架结构形式大概就固定为现在这样的形式，不过旋翼拉力线的位置会适当做些调整。（据相关经验，拉力线最好处于重心之后）。空中自由状态旋翼机的振动激励源，按我分析主要有3种。
1，旋翼振动，6Hz以下（300转左右/每分） 2，发动机振动 (与点火频率有关) 3,流体激励振动(频率应该不高)
有关旋翼机振动性能的控制,大家提到较多的是旋翼不平衡量的控制,如:跷跷板 塔形块
其它的例如发动机的减振措施我还没在论坛上看到过。
除了降低激励源振动,另一个改善旋翼机振动性能的方式基本方法就是尽可能让整机自然振动频率与激励源的振动频率分离,简单说就是避免共振.（NCL做飞行试验时低转速下发生较大振动，多半是因为旋翼不平衡振动激励与路面状态下的旋翼机自然振动频率发生共振。）
路面状态的振动性能应该与轮胎、起落架的刚度有很大关系，由于我的这个机架还未设计起落架，对于机架振动性能的控制暂时只考虑在空中的自由状态。
下面的动画是目前此机架前三阶自然振动模态.
振动频率分别是15.5Hz 18.4Hz 22.5Hz. (比想象中低一些)
就目前结果看机架自振频率离旋翼振动频率(0-6Hz)还是挺远的,所以还不至于与旋翼发生共振
因为发动机参数以及气流激励不确定,不好对这两个激励源作判断
如何避免共振,实质上就是改变结构形式和质量的分布,使得整机自然振动频率远离激励源振动频率。
ncl回复：
（NCL做飞行试验时低转速下发生较大振动，多半是因为旋翼不平衡振动激励与路面状态下的旋翼机自然振动频率发生共振。）
HHE你好! 旋翼机静止时旋翼低速旋转不产生振动(动平衡破坏情况除外),当旋翼机前行时, 由于旋翼转速较低, 前行桨的升力远大于后行桨,故旋翼产生很大摆动幅度, 摆动频率每周两次, 非共振原因引起! 此时操纵杆左右操纵力较大. 如果有预旋使旋翼高速旋转后再前行,你不会遇到上述情况的!
hhe回复：
前行浆升力大于后行浆产生的摆动是旋翼振动的激励源，就是说这个振动是必然存在的。这个低速时刻振动激励力较大应该是操作力大的一个原因。
旋翼头在没有操作力作用时左右摆动几乎是自由的，这时候的摆动固有频率很低，接近0。但当有人操控旋翼头的时候旋翼头的摆动受到手的约束，旋翼头摆动固有频率有所上升，但还是很低。
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当旋翼旋转振动的频率与这个摆动固有频率接近时有可能也是操作力大的原因。（这是我所说的共振）。
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