行業：航空航天

    挑戰：降低復合材料翼梁結構重量

    Altair 解決方案：利用Altair OptiStruct和 HyperStudy軟件中的復合材料 優化技術獲得減重50%的設計 方案。

    優點：更長的飛行距離 ；攜帶更多的負載

    背景介紹 

    無論在軍事領域還是民用行業，無人機(UAV)都是一種先進的工具。 

    無人機的優勢是在沒有人身危險的情況下快速提供重要數據，以滿足民用、商業和軍事組織對信息的巨大需求。   

    無人機幾乎可以做到實時提供遠程數據，它在政府和軍事機構的維和行動、情報搜集和作戰指揮等方面發揮了巨大的作用。除此之外，無人機還廣泛應用于農業監控和天氣追蹤等民用領域，并推動這些行業的長期發展。無人機涉及的關鍵技術從高級材料的微型化到航空電子學圖像模式識別等多學科技術，這些高科技的集成應用將為相關行業帶來巨大的挑戰和機遇。

    挑戰 

    隨著無人機應用范圍的不斷擴大，有效負載比成為主要的設計驅動。對無人機系統來說，有效負載比就是在給定的機身情況下攜帶更多的負載、油料或增加功能。為實現這一目標，復合材料是一個不錯的選擇。無人機續航能力已不再受到機組成員的限制，而是取決于燃油消耗，因為無人機系統的空中加油技術還沒有實現。高空飛行 對系統總體重量的要求越來越高，通過使用先進的復合材料以及與之相關的優化技術，是獲得飛行性能、續航能力和（或）成功攜帶武器的關鍵所在。  

  

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    無人機UAV百科： 

    UAV無人駕駛飛機的英文縮寫（UnmannedAerialVehicle），簡稱無人機。目 前，全球約有4.8萬架無人機。無人機不需要飛行員在機艙內進行駕駛，飛行 全過程在電子設備的控制下自動完成。無人機上不用安裝任何與飛行員有關的 設備，這樣可以騰出空間和重量裝更重要的設備。另外，使用無人機不用擔心 飛行員傷亡的問題。在 2002年的阿富汗戰場上，美軍使用 Tier—2“捕食者” 無人駕駛飛機向基地組織的車隊發射了“海爾法”空地導彈。

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    解決方案：多學科優化

    首先確定翼梁上承受的載荷和邊界條件，使用拓撲優化技術對翼梁的結構進行優化計算。結果表明，翼梁使用中空的矩形截面仍能滿足性能要求。

    然后使用AltairOptiStruct的復合材料優化技術對矩形翼梁結構中不同角度如正負45度和90度的鋪層進行優化。鋪層形狀優化技術將首次應用到鋪層角度的優化上。

    最后進行鋪層尺寸的優化，優化過程中除了應用應變和屈曲約束，還用到Multi-continuum理論（MCT）的失效準則。MCT通過將鋪層整體的應力應變分割成各組成部分（纖維和基體）的應力應變的方式來研究復合材料結構中的微觀力學。這 將允許使用不同的失效理論研究纖維和基體來獲得每個組成部分的力學特性。由于MCT與有限元方法易于集成的特點， FireholeTechnologies公司已將其開發成商業軟件HeliusMCT，并集成在幾種有限元軟件包中。

    來自Altair多學科優化軟件HyperStudy的響應面優化技術將用來處理包含非線性有限元分析和multi-continuum理論的多學科優化問題以獲得復合材料鋪層最優的尺寸。                            

    優化結果：減重50%

    優化結果表明：翼梁的重量可以減少至原始設計的50%。輕量化設計首先來自于可將翼梁設計成中空矩形截面梁結構的拓撲優化，然后引入鋪層角度的概念，通過鋪層角度優化進一步減輕結構重量。最后在優化過程中使用MCT失效準則，使最終的設計方案滿足總體應變、撓曲以及失效約束。

    這一過程表明：在復合材料結構設計過程中使用多學科優化技術可以獲得更加輕便的結構，使用復合材料鋪層形狀優化加上響應面優化和multicontiuum理論將獲得輕量化的結構并且滿足微觀力學水平的失效約束。整個流程可以在現代計算機系統上高效運行，并且支持設計工程師在同一時間調整多個參數以獲得一個最優的設計方案。無人機系統的輕量化設計意味著它可以攜帶更多的負載、增加更多的功能或飛行更遠的距離，任何一項進步都將是無人機研發的巨大成功。

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