论文标题：Dynamic Analysis and Structural Reinforcement Optimization Design of Catapult-Launched Blended-Wing-Body UAVs

论文链接：https://doi.org/10.3390/aerospace13100903

期刊名：Aerospace

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/aerospace

翼身融合（Blended-Wing-Body, BWB）布局凭借其卓越的气动效率和结构轻量化潜力，被视为下一代无人机的重点发展方向。然而，翼身融合布局固有的低速起降性能差、操纵效率低等气动缺陷，使其对弹射起降方式存在需求。针对这一问题，西北工业大学民航学院张永杰教授及其团队的其他合作者在Aerospace期刊上发表了最新研究成果，提出了一套“载荷分析-详细建模-瓶颈识别-加强优化-轻量化设计”技术流程，该技术流程有效解决了翼身融合布局无人机在弹射起飞与拦阻着舰工况下结构安全性与轻量化的矛盾。

研究过程与结果

该研究首先从理论上建立两类工况的解析模型：弹射起飞以直线感应电机电磁推力表达式为基础，将无人机、动子与牵引机构等效为集中质量，建立包含发动机慢车推力、气动阻力，以及甲板库仑摩擦的二阶运动方程；拦阻降落则以永磁直线同步电机为核心变换器，在直轴电流 id=0 的磁场定向控制下使电磁制动力与交轴电流iq呈线性关系，并通过滑轮机构传动比推导出全机纵向非线性动力学方程，为载荷时历的确定与主动可控性提供依据。在此基础上，论文分别建立机体与起落架有限元模型：机体采用T300碳纤维/环氧层合板，翼身连接处用采用7050铝合金插销，以及梁单元配合多点约束模拟连接，其余金属件按弹塑性处理并采用单面自接触算法与0.03刚度比例阻尼保证数值稳定。弹射起飞工况取6g弹射过载叠加0.2g前起落架突伸过载，拦阻工况取5g拦阻过载与6g主起垂直过载；通过提取四个剖面的合力时历曲线，验证了载荷沿主传力路径逐步扩散并最终被惯性力平衡的合理性。通过动力学仿真识别出传力瓶颈：弹射时前起上安装座应力高达984 MPa、安全系数仅1.32，斜撑杆应力623 MPa、安全系数1.36；拦阻时拦阻钩应力959 MPa。据此实施局部加强与传力路径重构：前起上安装座上接头扩螺栓孔并在连接处倒圆角、下安装座增设内外加强筋、斜撑由单杆改为双路径中空构型，后机身拦阻钩连接处增设斜撑梁。加强后前起上安装座安全系数由1.32升至1.82，斜撑杆安全系数由1.36升至3.66，拦阻钩降最大应力降至776 MPa、降幅约19.1%；网格收敛指数GCI均小于5%，载荷上升时间在0.05-0.15s间变化时响应变化有限，结果稳定。最后针对翼身连接处6-9号隔框强度利用率偏低的问题，以四框厚度（2-5mm）为设计变量，采用D-optimal最优采样、二次多项式代理模型与全局自适应模拟退火算法，以Tsai-Wu失效准则和38.6 MPa 横向拉伸许用值为约束进行优化：框9最大横向应力升至36.6 MPa仍满足要求，共减重 4.735 kg，全机总质量降至201.516 kg、整体减重2.3%，且屈曲载荷仍高于正常工作载荷、整体位移增量很小，实现了结构安全与轻量化的兼顾，为BWB无人机与电磁弹射、拦阻系统的工程适配提供了有效分析方法参考。

优化前后各部件的安全系数（Part1-卡箍、Part2-弹簧外筒、Part3-弹簧内筒、Part4-斜撑杆、Part5-斜撑杆安装座、Part6-下安装座、Part7-上安装座）

隔框厚度优化历史曲线（a）隔框6（b）隔框7（c）隔框8（d）隔框9

研究总结

本文针对翼身融合布局无人机在电磁弹射起飞与拦阻降落两类工况下的结构动力学响应，开展了系统的建模分析、补强设计与轻量化优化研究。通过理论分析、有限元仿真与优化算法的有机结合，建立的“载荷分析-精细建模-瓶颈识别-补强优化-轻量化设计”技术流程，有效解决了翼身融合布局无人机弹射起降工况下的结构安全性与轻量化矛盾，研究成果可为翼身融合布局无人机与电磁弹射/拦阻系统的适配性设计提供工程参考。

Aerospace期刊介绍

主编：Konstantinos Kontis, University of Glasgow, Scotland, UK

Aerospace期刊致力于发表航空航天科学、工程和技术相关的创新研究，涵盖飞行器设计、推进系统、飞行控制、先进材料、空间科学、航空电子、无人机系统（UAS）、城市空中交通（UAM）、可持续航空、航空安全以及前沿技术等。鼓励跨学科研究，推动航空航天科技发展，欢迎实验、仿真与理论研究的原创成果及综述。

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