随着地表矿产资源的减少,国家提出了地球深部勘探战略方针。随着无人机技术的飞速发展,航空物探技术有了新的发展方向,可以解决大规模、高分辨率的作业。航空物探作为一种高效、低成本、大比例尺、受干扰较小的物探方法,越来越受到物探工作者的青睐。近年来,多参数、高精度的航空地球物理综合研究在各成矿带得到了广泛开展。特别是基于无人机的测量系统,能够广泛适应不同地形和地理环境,获得高质量的航空地球物理测量数据。本文依托国家重点研发计划项目——“智能化物探专用旋翼无人机系统研发”,以航空物探系统为背景,开展全轴梯度搭载装置与吊挂搭载装置的研究与设计工作。根据项目中各项指标要求,完成了全轴梯度搭载装置与吊挂搭载装置的结构设计。借助有限元分析软件,完成了对全轴梯度搭载装置横向探杆和纵向探杆的静力学分析与动力学分析,并对系统的薄弱部分进行了优化设计。完成了对吊挂搭载支撑架的静力学分析,依据有限元分析结果,对吊挂搭载支撑架进行了轻量化优化设计,使得吊挂搭载支撑架在满足强度、刚度的条件下,减少了重量,以减轻无人直升机的负载,增强直升机的机动特性。本文完成的研究工作主要包括以下几个部分:(1)概述了不同种类航空物探系统的特点和研究现状,总结了国内外典型产品的结构特点,阐明了本文的研究意义和主要研究内容。(2)基于复合材料理论基础,分析了复合材料层合板的力学性能,为全轴梯度搭载装置的设计提供了理论依据。对全轴梯度搭载装置的设计准则进行了分析,依据项目要求,确定了全轴梯度搭载装置的整体布局,完成了全轴梯度搭载装置横向探杆的强度、刚度计算和校核。(3)对全轴梯度搭载装置的实际工况进行了分析,利用有限元分析软件,对横向探杆和纵向探杆在静态工况下的受力情况进行了仿真分析,将横向探杆简化模型的有限元分析结果与理论计算结果进行了对比分析,证明了有限元建模的准确性。(4)根据相关行业标准和项目对机上搭载装置的设计要求,完成了对全轴梯度搭载装置纵向探杆和横向探杆的的模态分析和随机振动分析,对纵向探杆结构的薄弱部分进行了优化改进,提高了整体结构的固有频率,使其避开了直升机的激励频率范围,防止了共振现象的发生。(5)依据吊挂搭载装置的功能特性和结构设计要求,完成了对吊挂搭载装置的结构设计和有限元分析,应用变密度法实现了对吊挂搭载支撑架结构的拓扑优化,以支撑架的应变能和体积为设计响应,目标函数为最小应变能,得到了吊挂搭载支撑架的拓扑优化结果,相比优化前减重15.46%。对优化后的支撑架进行了有限元分析,证明了优化后的支撑架满足实际工况要求。本文所研究和设计的全轴梯度搭载装置和吊挂搭载装置,满足项目的各项指标要求,论文的研究成果为物探搭载装置在无人直升机航空物探中的实际应用奠定了基础,同时为同种装置的研究和设计提供了一定参考。