印度浦那 MIT 使用 Inspire 設計無人機配件

技術支持

行業：教育/無人機

挑戰：設計、制造并測試使用拓撲優化技術完成減重和增加強度的四旋翼無人機

Altair 解決方案：使用 solidThinking Inspire，制造了兩個全新的輕量化 3D 打印零部件，新部件優化了無人機的設計空間。

優點：成功實現了拓撲優化技術和3D打印的協同；在制造的兩個機身的測試中都觀察到穩定的飛行特性；大幅縮短設計時間；必要部件的數量從六個減到一個；與初始基礎模型相比，平均減重32%

背景介紹

成立于1983 年的浦那馬哈拉施特拉理工學院（MIT），是印度頂尖的理工類院校。馬哈拉施特拉理工學院的教學理念是為學生提供優良的資源和環境，以便他們在面對當下社會中最具挑戰性的工程問題時，能夠成功地處理并找到對應的解決方案。

Arnab Chattopadhyay, Vishal Bagthadia, Sanat Munot 和 Sumod Nandanwar 是 MIT 的本科生團隊，在浦那 MIT 副教授 Mr. Girish S. Barpande 的指導下，致力于完成他們的畢業研究項目，即“無人機的拓撲優化”。此外，該團隊還和 Mr. Chaitanya Kachare 緊密合作，Mr. Chaitanya Kachare 是 MIT 設計學院（MIT Pune 的姊妹單位）的交通設計副教授，并指導該團隊在畢業設計中遇到的增材制造和設計美學的難題。

當該團隊在設計無人機時，必須考慮很多因素。然而，飛行器無人駕駛的特點，已為他們消除了許多設計上的限制，這使得設計過程更加自由。在該設計系統中使用拓撲優化技術有助于提高設計自由性，而設計過程更自由往往能夠快速提升飛行器性能。

該團隊的項目目標是設計、制造并測試四旋翼無人機。Vishal 首次了解到 Inspire 軟件是在馬哈拉施特拉理工學院的 SAE 方程式隊 Accceleracers 中,使用拓撲優化技術完成了對各種汽車零部件的優化過程。他很有信心 Inspire 將會提供簡捷且快速的解決方案來實現增強四旋翼無人機所需的結構改進。

由于拓撲優化產生最優化的設計，Sanat 對于拓撲優化和增材制造之間的協同性很著迷，但是，當沒有添加制造限制時，設計過程很快就會變得非常復雜，使用減材制造會使制造這些設計的過程非常困難，而且成本高昂。增材制造有助于消除這些制造限制，而且不論設計多么復雜，增材制造都能生成最優化結果。

解決方案

為了實現最佳性能，該團隊根據電子、元器件和有效載荷的設計計算和封裝空間，開始采用簡單的單體機身結構。兩種方法的設計理念： 1.第一個設計方法中，Inspire 擁有最大化設計空間。運行完初始優化后，學生們用運算結果來創建下一次迭代分析的設計空間。該迭代過程被稱為多階段優化過程。

圖片59.png

初始 CAD 模型為了進一步優化調整設計運用 Inspire 設計載荷空間機身的 Inspire 優化結果

2.第二個設計方法以無人機基礎力學為原理的簡約設計，運用 Inspire，該簡約設計的空間直接得到了優化。

設計初始設計載荷空間優化結果應力分布位移圖

在設計工作流程中，載荷情況的準確性對團隊而言至關重要。通過對一架與原型相似的機體進行實時測試，驗證了這一點。通過收集的數據，兩種設計方法在 Inspire 中都可以準確完成建模，然后進行拓撲優化。Inspire 易用的界面和工作流程幫助團隊更專注于迭代分析，而不是設置模型，來獲得更好的結果。此外，Inspire 中的形狀控制工具幫助團隊保持模型主軸的對稱性，在設計多翼無人機時，這點非常關鍵。該團隊甚至使用Inspire 很容易和準確地分析后優化模型。兩種方法的優化設計完成后，通過使用 PolyNURBS 工具，去除尖銳輪廓和應力集中點，對模型進行改進，為下一步制造做好了準備。PolyNURBS 工具使團隊能夠以精確和高效的方式獲得最接近拓撲優化結果的實體模型。根據 Inspire 優化結果重新設計零件后，下一步是制造零件。

使用 PolyNURBS 工具改進之后的兩個機身效果圖

一旦無人機根據 Inspire 優化結果重新設計，下一步就是著手制造這種單殼式設計。該團隊得到了浦那 DesignTech Systems 公司的支持，DesignTech Systems 公司是一個領先的 CAD/CAM/CAE/PLM，增材制造技術和解決方案供應商，以及為 Stratasys 3D 打印機和 Altair/solidThinking 解決方案提供附加價值的代理商。

DesignTech Systems 使用 Stratasys 的 ABS M30 來幫助團隊制作測試樣品和最終設計。Stratasys 通過其位于班加羅爾的體驗中心的 Fortus 450 MC 來 3D 打印零部件，來進一步協助團隊完成任務。 Chaitanya 教授贊同 Inspire 是完成項目的完美工具。“Inspire 是一個顛覆傳統型，用戶友好型平臺，讓設計工程師、工業設計師、建筑工程師通過單一的工具自動生成、仿真并合成 CAD，來自動生成其迭代設計過程，從而實現可持續設計，縮短交貨時間，降低成本和減少材料消耗。”

結論

3D 打印完成機身之后，該團隊進行了多次戰斗測試，用以測試機身的強度和飛行特性，飛行非常平穩，無人機經受了多重碰撞測試，安然無恙。