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航空药箱药液晃动测试试验台的设计
[摘要]: 近年来，航空施药技术正在向我国农业部分渗透，由于国情影响，我国虽然平原地区的农业发展较为迅速，但丘陵或者连片大田等地的施药地面设备无法完整的完成施药任务，航空施药技术也就因此应运而生。其中，航空施药中较为重要的一环便是空中药箱的结构以及是施药过程中药液晃动对作业的影响，以下为国内外近近年对此方面的问题与研究。
关键词：液体晃动 力学模型分析 药箱结构分析 传感器
1、 前言
自改革开放以来，我国农业正飞速发展，传统农业已经转化为半机械化农业，其技术也往更专业化、标准化、规模化和产业化递进。目前，我国的农业生产大部分还是以半机械化为主，但这种形式效率低下且缺乏提高的空间，由于近年来中国人口老龄化愈加严重，劳动力十分短缺，没有充足的人口资源去实现半机械化操作。随着全球气候的逐渐变化，病虫害问题也成为了当前制约我国农业生产和食品安全的重要因素，且由于施药机械效率过低，安全系数不高带来的农药中毒等事故层出不穷，因此半机械化的农药使用技术已经不符合当期的农药发展。
另一方面，我们的邻国日本由于自身的土地特征，根据其地形、地貌特征、从事农业劳动的情况酌情发展了由有人直升机航空施药为主的发展模式，在施药模块也形成了较为实用的管理体制，确保了日本农林业健康有序高效地发展。日本也是最早将有人驾驶直升机运用到施药环节的国家之一。另外，美国也是目前世界上农业航空技术最发达的国家，20世纪中期，美国逐渐建立起了大型植保机械和航空植保为主题的防治体系，至今为止，美国拥有超过9000架的农用飞机，他的作业项目不仅仅只是航空播种和施肥，还发展了人工降雨、森林灭火等方面。
从1950年开我国已经开始发展航空植保技术，但由于技术要求过高发展缓慢。近几年，由于科学技术的快速更新以及他国丰富的航空植保发展经验，航空植保也逐渐成为我国农业航空产业的重要组成部分，其中航空施药是我国航空植保发展的主要方向。航空施药作业是在作业平台即飞行器上接喷洒装备进行的，不同的平台拥有不一样的特点，目前可分为三大类：：固定翼式轻型飞机、直升 机和小型无人驾驶直升机，从技术上来看，这三种飞机也有不一样的特点，在此并不详述。施药避免不了搭载在无人机上的施药箱，由于不同无人机的装配特点，他所需要的施药箱也就不尽相同，但由于作业过程中，直升机处于飞行状态，施药箱内的药液会随着无人机的颠簸状态发生摇晃因而影响无人机飞行状态从而造成药业喷洒甚至是无人机坠毁。
因此研究并设计一款航空药箱药液晃动测试试验台是十分重要的，其意义在于通过实验平台对药箱药液晃动的测试，模拟航空飞行是药液药箱的晃动状态，通过实验减轻实际作业中的药量损耗及提高作业质量和作业效率，同时也避免直接用无人机进行药箱药液晃动检测的成本损耗。
2、 国内外研究现状
2.1 国外有关药箱流体晃动问题的研究与分析
2009年P K Panigrahy开始研究罐体液体的晃动情况，并得出结论:作用在罐壁上的压力与作用在罐壁上的压力相同且罐壁上的压力显示出液体自由表面与罐内深表面的相当大的波动。 粘性或自阻尼效应也随着液体质量的增加而增加，从而减小了在给定的振荡频率下的冲击效应。某一特定激励频率下罐内液体的最大自由表面位移时，湍流和水力跃变是突出的。 换句话说，液体晃动随着高度的增加而减小。
2015年Wei C等人提出了一种求解液体晃动问题的完全拉格朗日积分方法。 Ancf 流体元素允许流体和 mbs 算法的成功集成。 利用总拉格朗日方法，可以系统地引入流体边界条件。他们提出的砖砌体单元具有恒定的惯性矩阵，保证了单元节点梯度的连续性，并且对单元内部的旋转和变形量没有任何限制。 结果表明，用一种非线性有限元方法可以得到复杂的流体几何形状。未来的工作将集中在整合新的流体晃动模型在这项研究中开发的详细车辆模型，包括柔性或刚性 。
与此同时，Haroun M A,和Chen W.在油罐车的基础上提出了一种隐式差分方法来模拟液体在谐波和地震基激励作用下的大幅晃动运动，利用曲线坐标系将其转化为计算域，从而得到空间差分离散的固定网格和矩形网格。 该模型具有隐式性质，无条件稳定，并且只包含很少的与时间离散化相关的扩散。 在自由表面的运动条件中加入二阶数值耗散项，以稳定大对流引起的错误高频波。 结果表明，通过在全迎风格式的30-80% 处增加数值耗散[14]，可以得到稳定的液体地震晃动的数值解，而且峰值波幅可以容忍地减小。 数值耗散引起的液体质量变化和边界上的非对称空间差分格式对工程应用影响不大。 他们提出的这种方式是灵活的，可以推广到任意形状的可变形的液体容器和容器。 当液体受到诸如墨西哥城记录这样具有主要长周期成分的基本激励记录时，就会发生剧烈晃动。 非线性晃动效应是通过晃动振幅上移量和周期延伸量来测量的。 结果表明，在油罐的抗震设计中应考虑非线性晃动效应。 它将考虑真实的晃动振幅，这可能是超过线性预测，以避免损害的上部结构受到过多的水动力波的冲击。
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