本文為技術鄰-Altair設計優化大賽投稿作品，作者為技術鄰用戶：WenJay,如果喜歡可以點擊文末投票欄支持作者，為他投票哦！

引言

“我們類比鳥類和昆蟲的翅膀在經過千萬年進化所衍生出來的獨特結構，并思索著如何將這種結構特點應用到無人機的結構優化當中去，最終，Altair的Inspire軟件將我們這種想法變成了可能...“

 結構設計

1.1設計方向

（1）模型能滿足強度要求，載重不小于1.5 kg，結構最大位移最小。

（5）所設計的所有零部件材料為PA6（尼龍材料），性能見表1。

（7）用料經濟,即設計時需作輕量化優化，使無人機的整體重量較輕，不超過600g。

                                                                   表1 PA6材料性能

1.2 設計流程

根據所給的設計要求，我們的結構設計流程圖如圖1所示

 

                                                                               圖 1

 計算與選型

2.1 動力學計算

設整體結構的最大質量為M=600g，載重為P=1.5kg,單個電機提供的最大升力為F，若選用n旋翼，則需滿足n F>M+P 。

選用三旋翼的話，單個電機最大升力應滿足 F>(P+M)/3，即F>7kg 。              

2.2 選型

為減少部件數量，縮小體積，得到更優的輕量化結構，以便于日常組裝使用，本次設計采用三旋翼無人機結構，相應的螺旋槳尺寸參數如表2所示

                                                                 表2 旋翼電機組件參數

電機旋翼組件幾何模型如圖2所示。

                                                                     圖2電機旋翼組件模型圖

建模及外形設計

3.1初步建模

Solidthinking Inspire算是業內最強大、最易于使用的衍生式設計/拓撲優化及快速仿真解決方案，旨在助力設計工程師快速而輕松地創建并研究結構高效型概念設計。Inspire軟件界面簡潔，易學易用，不僅縮短了設計周期，降低成本和物料消耗，又能減輕產品重量，并且建模和優化都可以做，功能十分強大，用inspire初步建模得到待優化模型幾何如圖3所示。

                                                               圖3 待優化模型幾何圖

3.2 優化分析

模型初步完成之后，首先把整體結構分為設計空間和非設計空間，設計空間進行優化，非設計空間用來加約束和載荷，如圖4所示。

                                                        圖4 設計空間與非設計空間結構圖

 

根據三旋翼無人機實際飛行時的受力情況，設定了兩種計算工況。

工況一: 飛機起飛過程，下面板中央區域施加位移約束，每個電機筒上施加等值的螺旋槳拉力載荷，總載荷為起飛重量最大值2.13 kg。

工況二: 飛機在空中處于懸停狀態，電機安裝位置簡支，飛機重心處施加集中載荷1.5kg。兩種工況下所受約束及載荷如圖5( a) 、圖5( b) 所示。

                                              圖5（a）工況一結構受力分析圖

                                                         圖5（b）工況二結構受力分析圖

分別進行優化，結果如圖6（a）、圖6（b）所示。

                                                         圖6（a）工況一優化結構圖

                                                           圖6（b）工況二結構優化圖

3.3 Polynurbs化處理

對優化出來的結構，直接在inspire上進行Polynurvs化處理。處理主要有三方面：一是整體的Polynurvs化,使桁架結構的更平滑；二是對部分結構進行橋接形成“蹼狀”結構，既可以改善應力集中，又能讓結構變得更加美觀；三是檢查零件之間可能出現的交錯部分，利用布爾運算工具減去，以免其對整體質量以及后續分析產生影響，最后的模型如圖7所示。

                                                            圖7  Polynurbs化處理后的模型                                                 

3.4 裝配連接

（1）旋翼電機組件

由于所給旋翼電機組件上已經留有3mm的孔，所以可以通過螺栓連接來固定。

（2）“飛控”電池盒

分別在飛控電池盒和機架底部打螺紋孔，同樣采用螺栓來固定。

3.5 輕量化設計

   最終無人機機械結構（機架+支架）的質量為540g,滿足預期的輕量化要求600g。

3.6 外形渲染

Solidthinking Evolve 是一個高質量 3D 混合建模和渲染環境，可助力工業設計師以前所未有的速度對各種設計進行評估、研究和可視化。使用Evolve建模，可以充分發揮自己的創造力，根據自己的設計思路不斷嘗試和修改，從而得到想要的模型。將做出來的模型導入到Evolve中，進行一定的渲染，同時襯以背景，使模型更加逼真、美觀，外形如圖 8所示。

                                                                圖8 Evolve渲染后的模型

在HyperMesh中進行有限元校核

首先非常感謝吉亮師兄幫助我們在hypermesh中對重建的模型進行有限元仿真和校核，以下是具體的工況分析：

4.1 工作狀況

對于優化結果進行解讀，并建立了三維模型，所得三維模型的總質量為540g。采用四面體網格進行網格的劃分，單元邊長為2mm。其結點數和單元數如表3所示。

                                                            表3 校核模型的結點數和單元數

4.2結構應力和位移云圖

工況一起飛過程，經過計算獲得的應力云圖如圖9（a）所示，位移云圖如圖9(b)所示。其最大應力為0.84MPa，最大位移為0.01mm。

 

                                                     圖9（a）工況一結構應力云圖

                                                      圖9（b）工況一結構位移云圖

  

工況二懸停，經過計算獲得的應力云圖如圖10（a）所示，位移云圖如圖10（b）所示。其最大應力為 0.61Mpa,最大位移為 0.004mm。

                                                       圖10（a） 工況二結構應力云圖

 

 

                                                        圖10（b）工況二結構位移云圖

 

 

4.3 安全系數

對比前面兩種工況的應力云圖和位移云圖，可得結構在工況一即起飛狀況更容易被破壞，對應的安全系數為

遠大于預設置的安全系數1.2，因此結構強度滿足要求，此外我們還可以發現機臂受力比較均勻，材料的利用較為充分。對于中心區域的結構，還存在著一些受力較小的區域，因此可以根據飛控電池組件的布置對中心區域結構進行更改，且保持結構的應力水平和重量不上升。

總結

本案例給出了三旋翼無人機一種輕量化設計、分析與優化的方法和流程，得到了以下幾點主要結論:

(1) 兩種方式的分析結果相近，對分析結果不構成影響;

(2) 結構主要應力集中區域位于機架與底部中心板的連接區域;

(3) 重量相比初始結構減少了860g，降低了61.4%，在滿足一定強度和載荷的要求下，質量低于600g，續航時間有所提升;

                                                        向著光亮的地方，keep moving~

看著我們的三旋翼無人機從無到有，一點點的孵化出來，心中百感交集，在這個過程中非常感謝Altair公司的陳偉琦老師對我們在軟件操作的悉心指導以及導師龍凱老師理論知識的傳授，我們也算是第一次使用Solidthinking軟件進行優化設計，很多地方不是很完美，希望各位多多批評和指正！

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