多旋翼无人机用软木芯CFRP夹层结构：模态响应与抗冲击性能的实验对比

《Measurement》：Cork-core CFRP sandwich cages for multirotor UAVs: An experimental comparison of modal response and impact protection

　　•可持续的软木芯使无人机笼体具备出色的减震性能和抗冲击能力。•软木夹层结构在振动抑制方面优于PVC泡沫材料。•更高的自然频率表明采用软木芯的笼体更为坚固稳定。•更低的峰值减速度意味着其在遭受坠落冲击时能提供更好的保护。•细粒软木则展现了最优异的综合动态性能。

引言
多旋翼无人机具有垂直起降、悬停、低空飞行以及360度旋转等多样化的飞行功能[1]，可广泛应用于消防[2][3]、森林管理[4][5]、渔业[6]、海洋监测[7]、隧道等狭空间内的航空摄影[8][9]、管道检测与泄漏排查[10][11]、桥梁检查[12]、精准农业与智能农业[13][14]，以及“最后一公里”配送[15]等领域。随着无人机在日常生活中的日益普及，在人口密集区域进行“最后一公里”配送或在隧道等狭空间作业时，无人机若靠近人群、障碍物或昂贵设备，就容易发生碰撞事故[16]。一种有效的解决办法就是在无人机周围安装防护笼体，以降低这类风险。

虽然无人机笼体能够保护螺旋桨免受各类障碍物的损害，还能提升其在狭空间内的运行可靠性与安全性。但设计无人机笼体时必须避免出现飞行限制及重量过大的问题，否则会降低其机动性、飞行距离，引发空气动力学问题或气流紊乱，进而影响飞行性能[17]。由于无人机笼体的材料与结构在飞行及操控过程中会承受巨大冲击，因此必须具备足够的抗冲击能力。由此可见，为无人机笼体选择合适的结构设计、几何形状以及材料类型至关重要。它需要既坚固又能抵抗冲击与振动，同时又不影响飞行性能。长期以来，塑料和金属等传统材料一直被用于制造无人机[18]。不过，复合材料领域的最新发展则为提升无人机的性能与安全性提供了新途径。在各类材料中，软木复合材料因其重量轻、耐用、环保，同时还具备良好的吸震与减震性能而展现出巨大潜力[19]。软木取自栎树的树皮，是一种可再生的生物基材料，其蜂窝状结构使其具有低密度、可回收性、减震能力以及能量吸收潜力[20][21][22]。其环保优势主要体现在：树皮采集不会对树木造成破坏，软木层会在树木一生中不断再生，该材料可生物降解，而且其残余物还可用于制造成型产品。不过，成型软木产品的环境性能不仅取决于软木原料本身，还与粘合剂体系、加工能耗、生产流程以及产品使用寿命后的处理方式密切相关[23]。不过，要证明整个碳纤维增强塑料-软木笼体系统的可持续性，还需要进行专门的生命周期评估。正是由于软木出色的减震特性，该材料非常适合用于需要吸震和减震的场景[24][25]。此外，软木作为一种天然可再生的材料，无需砍伐树木，采用人工采集且不使用化学物质，还能吸收二氧化碳，且完全可生物降解、不会产生废弃物，因此在现代工程应用中极具吸引力[20]。

在设计用于保护多旋翼无人机的笼体时，通过优化结构刚度、减震性能以及冲击能量吸收能力来减轻动态载荷是至关重要的[26]。峰值减速度是衡量无人机抗碰撞能力的关键指标；将峰值减速度降至最低，就能确保动能被防护笼体有效吸收，而非传递到无人机上脆弱的电子设备中[17][27]。与此同时，旋翼谐波和空气动力作用带来的运行干扰，也需要具备高粘弹性减震性能的材料，比如软木的蜂窝结构，以此来抑制持续性的振动[28]，从而提升飞行稳定性并保证载荷的完好性。此外，足够的结构刚度对于防止在动态载荷作用下出现几何变形也极为重要，这能确保在遭受高能量冲击时防护笼体依然保持完整，同时避免长期的结构疲劳。通过同时解决峰值减速度降低、结构减震以及刚度提升等问题，基于软木的夹层复合材料能够提升无人机在复杂且充满障碍物的环境中的生存能力与运行可靠性。

为了解决多旋翼无人机运行中的安全隐患与结构缺陷，近期有大量研究探讨了各种防护机制与笼体设计。例如，某些具备密集网格结构的变形无人机，能够在靠近人类时让机械臂完全收回，以确保旁观者安全，而在巡航飞行时则展开机械臂，从而使空气动力效率提升20%以上[29]。材料选择与结构几何形状对这些防护屏障的效能起着关键作用。Sundararaj等人[30]对四种自支撑式无人机框架结构进行了评估，认为短臂结构具有更高的强度和振动稳定性，其中碳纤维材料的性能始终优于ABS塑料。同样，Edgerton等人[31]分析了由PLA和ABS制成的球形笼体，通过有限元分析及风洞实验发现，中央机身对电机推力的阻碍作用要比笼体本身更大。在所有这些设计中，抗冲击能力依然是一个重大挑战。Skarka等人[17]指出，虽然在球形笼体中，聚对苯二甲酸乙二醇酯甘醇（PET-G）连接件比低密度聚乙烯（LDPE）管更能吸收冲击力，但无人机内部的外壳往往过于坚硬，因此需要加厚壁厚，以降低结构应力并提高安全性。Zhai[32]也发现了这一在高应力下的结构弱点，他设计了一种采用碳纤维杆和3D打印连接件的C60几何结构球形笼体；虽然轻微的冲击可以被缓冲，但超过两米的坠落高度仍会导致结构完全断裂，而且沉重的框架还会大幅降低无人机的悬停效率。Hettel等人[33]进一步利用4.48米高的坠落测试平台，对碳纤维增强塑料与热塑性聚氨酯制成的网状笼体进行了测试，结果发现，在遭受严重冲击时，笼体的外壳会在内部固定点处直接发生剪切，导致其几乎无法吸收动能。为了在不影响无人机性能的前提下减轻重量并提升功能，Goh等人[34]通过选择性激光烧结技术开发出一种轻量化的、经过拓扑优化的笼体，他们还利用气溶胶喷射打印技术在笼体上直接打印出符合要求的银质电路，从而取代了传统的导线，使信号传输部分的重量减少了97.4%。在其他空气动力学设计方面，Popi?ter等人[35]设计了一种采用FFF 3D打印技术制造的无叶片无人机原型，该无人机使用ABS和PLA聚合物作为“空气倍增器”推进器，尽管其薄型的空气动力学壁面存在一些制造缺陷，但仍能增强气流并降低噪音。最后，一些专门设计的笼体应用还提升了无人机的多功能性。Jia等人[36]设计了一种水陆两用救援无人机，该无人机采用了受富勒烯启发的分体式笼体，这种笼体避免了深度相机被遮挡的问题，使得无人机既能进行空中飞行，也能在地面艰难地形中行驶。类似地，Khalil等人[37]则开发了一种用于暖通空调系统检测的自主型混合式滚动飞行笼体无人机，该无人机配备了被动式笼体、二维激光雷达和热成像仪，同时运用直接模型参考自适应控制与PID控制器相结合的方式，实现了出色的姿态与飞行稳定性控制。

尽管在无人机防护笼体的几何结构优化与材料选择方面已经取得了诸多进展，目前这些防护笼体大多仍依赖合成聚合物和刚性碳复合材料，但仍然存在一个重要的研究空白。现有的合成材料往往难以在不过度增加重量的前提下有效降低峰值减速度，同时限制旋翼产生的振动传递，而且在遭受严重冲击时还容易出现结构崩溃的情况。此外，将天然、高粘弹性且可持续的材料应用于无人机碰撞防护领域，目前也几乎未被探索。为了解决这些问题，本研究采用了一种创新方法，即将基于软木的夹层结构引入球形无人机笼体的设计中。鉴于软木的蜂窝结构、低密度以及能量吸收特性，我们研究了其减震与抗冲击能力。通过比较采用细粒软木芯与粗粒软木芯、以及传统合成PVC泡沫芯的笼体的动态性能，这些笼体均搭配了碳纤维增强塑料面板，本研究评估了它们的模态频率、减震性能、结构刚度以及峰值减速度的降低程度。本研究对采用软木芯的碳纤维增强塑料夹层笼体进行了量化不确定性的实验分析，比较了细粒与粗粒成型软木芯与传统PVC泡沫芯的性能。据我们所知，此前尚未有过将成型软木作为多旋翼无人机防护笼体结构核心的相关研究。

材料部分
这些夹层结构是由四种主要材料制成的：从Ducork Inc.采购的细粒与粗粒成型软木，由DowAksa B.V.提供的碳纤维增强塑料，以及由Diab Inc.供应的PVC H130二乙烯基细胞泡沫。表1根据制造商提供的数据列出了各材料的规格参数。

无人机笼体的制作
为了确保三种制成的笼体重量一致，根据每种材料的密度，分别使用了4毫米厚的细粒软木芯、6毫米厚的粗粒软木芯以及6毫米厚的PVC泡沫芯。

频率响应函数
图4和图5展示了笼体A、B、C、D和E区域的频率响应函数曲线图。这些曲线图呈现出了频率谱，其中在特定频率处会出现峰值，这些频率对应着相应结构的自然频率。频率响应函数曲线表明这些结构既存在单模态特征，也存在多模态特征。表5列出了通过单模态分析方法（一个自由度）得出的这些结构的自然频率值，这些数值是通过分析频率响应函数曲线得到的。

固有振动频率

结论
本研究探讨了采用软木芯的碳纤维增强塑料夹层结构作为一种轻量化方案，用以提升球形无人机笼体的振动响应能力与抗冲击性能。在所有测量的区域中，两种采用软木芯的笼体的动态响应频率都高于采用PVC泡沫芯的笼体。在主机区域，这种差异最为明显（细粒软木对应的频率为1050±80赫兹，粗粒软木为950±50赫兹，PVC泡沫对应的频率为680±70赫兹），而旋翼区域则呈现出类似的差异趋势。

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CRediT作者贡献说明
Mohammad Rauf Sheikhi：负责具体研究工作。Selim Gürgen：负责可视化处理、项目监督以及相关研究工作。Onder Altuntas：负责文章的写作、审阅与编辑工作，同时还承担项目监督与资源协调工作。Fábio A.O. Fernandes：未明确具体职责。Mehmet Alper Sofuo?lu：负责研究方法的设计、相关研究工作以及概念构思工作。

未引用参考文献
[41]、[47]。

利益冲突声明
作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢
本研究得到了欧盟的资助，资助编号为2020-1-TR01-KA203-092763；同时也得到了埃斯基谢希尔奥斯曼加齐大学研究基金的支持，项目编号为ESOGUBAP-201915063。

Mohammad Rauf Sheikhi | Selim Gürgen | Onder Altuntas | Fábio A.O. Fernandes | Mehmet Alper Sofuo?lu