本文为技术邻-Altair设计优化大赛投稿作品，作者为技术邻用户：WenJay,如果喜欢可以点击文末投票栏支持作者，为他投票哦！

引言

“我们类比鸟类和昆虫的翅膀在经过千万年进化所衍生出来的独特结构，并思索着如何将这种结构特点应用到无人机的结构优化当中去，最终，Altair的Inspire软件将我们这种想法变成了可能...“

 结构设计

1.1设计方向

（1）模型能满足强度要求，载重不小于1.5 kg，结构最大位移最小。

（5）所设计的所有零部件材料为PA6（尼龙材料），性能见表1。

（7）用料经济,即设计时需作轻量化优化，使无人机的整体重量较轻，不超过600g。

                                                                   表1 PA6材料性能

1.2 设计流程

根据所给的设计要求，我们的结构设计流程图如图1所示

 

                                                                               图 1

 计算与选型

2.1 动力学计算

设整体结构的最大质量为M=600g，载重为P=1.5kg,单个电机提供的最大升力为F，若选用n旋翼，则需满足n F>M+P 。

选用三旋翼的话，单个电机最大升力应满足 F>(P+M)/3，即F>7kg 。              

2.2 选型

为减少部件数量，缩小体积，得到更优的轻量化结构，以便于日常组装使用，本次设计采用三旋翼无人机结构，相应的螺旋桨尺寸参数如表2所示

                                                                 表2 旋翼电机组件参数

电机旋翼组件几何模型如图2所示。

                                                                     图2电机旋翼组件模型图

建模及外形设计

3.1初步建模

Solidthinking Inspire算是业内最强大、最易于使用的衍生式设计/拓扑优化及快速仿真解决方案，旨在助力设计工程师快速而轻松地创建并研究结构高效型概念设计。Inspire软件界面简洁，易学易用，不仅缩短了设计周期，降低成本和物料消耗，又能减轻产品重量，并且建模和优化都可以做，功能十分强大，用inspire初步建模得到待优化模型几何如图3所示。

                                                               图3 待优化模型几何图

3.2 优化分析

模型初步完成之后，首先把整体结构分为设计空间和非设计空间，设计空间进行优化，非设计空间用来加约束和载荷，如图4所示。

                                                        图4 设计空间与非设计空间结构图

 

根据三旋翼无人机实际飞行时的受力情况，设定了两种计算工况。

工况一: 飞机起飞过程，下面板中央区域施加位移约束，每个电机筒上施加等值的螺旋桨拉力载荷，总载荷为起飞重量最大值2.13 kg。

工况二: 飞机在空中处于悬停状态，电机安装位置简支，飞机重心处施加集中载荷1.5kg。两种工况下所受约束及载荷如图5( a) 、图5( b) 所示。

                                              图5（a）工况一结构受力分析图

                                                         图5（b）工况二结构受力分析图

分别进行优化，结果如图6（a）、图6（b）所示。

                                                         图6（a）工况一优化结构图

                                                           图6（b）工况二结构优化图

3.3 Polynurbs化处理

对优化出来的结构，直接在inspire上进行Polynurvs化处理。处理主要有三方面：一是整体的Polynurvs化,使桁架结构的更平滑；二是对部分结构进行桥接形成“蹼状”结构，既可以改善应力集中，又能让结构变得更加美观；三是检查零件之间可能出现的交错部分，利用布尔运算工具减去，以免其对整体质量以及后续分析产生影响，最后的模型如图7所示。

                                                            图7  Polynurbs化处理后的模型                                                 

3.4 装配连接

（1）旋翼电机组件

由于所给旋翼电机组件上已经留有3mm的孔，所以可以通过螺栓连接来固定。

（2）“飞控”电池盒

分别在飞控电池盒和机架底部打螺纹孔，同样采用螺栓来固定。

3.5 轻量化设计

   最终无人机机械结构（机架+支架）的质量为540g,满足预期的轻量化要求600g。

3.6 外形渲染

Solidthinking Evolve 是一个高质量 3D 混合建模和渲染环境，可助力工业设计师以前所未有的速度对各种设计进行评估、研究和可视化。使用Evolve建模，可以充分发挥自己的创造力，根据自己的设计思路不断尝试和修改，从而得到想要的模型。将做出来的模型导入到Evolve中，进行一定的渲染，同时衬以背景，使模型更加逼真、美观，外形如图 8所示。

                                                                图8 Evolve渲染后的模型

在HyperMesh中进行有限元校核

首先非常感谢吉亮师兄帮助我们在hypermesh中对重建的模型进行有限元仿真和校核，以下是具体的工况分析：

4.1 工作状况

对于优化结果进行解读，并建立了三维模型，所得三维模型的总质量为540g。采用四面体网格进行网格的划分，单元边长为2mm。其结点数和单元数如表3所示。

                                                            表3 校核模型的结点数和单元数

4.2结构应力和位移云图

工况一起飞过程，经过计算获得的应力云图如图9（a）所示，位移云图如图9(b)所示。其最大应力为0.84MPa，最大位移为0.01mm。

 

                                                     图9（a）工况一结构应力云图

                                                      图9（b）工况一结构位移云图

  

工况二悬停，经过计算获得的应力云图如图10（a）所示，位移云图如图10（b）所示。其最大应力为 0.61Mpa,最大位移为 0.004mm。

                                                       图10（a） 工况二结构应力云图

 

 

                                                        图10（b）工况二结构位移云图

 

 

4.3 安全系数

对比前面两种工况的应力云图和位移云图，可得结构在工况一即起飞状况更容易被破坏，对应的安全系数为

远大于预设置的安全系数1.2，因此结构强度满足要求，此外我们还可以发现机臂受力比较均匀，材料的利用较为充分。对于中心区域的结构，还存在着一些受力较小的区域，因此可以根据飞控电池组件的布置对中心区域结构进行更改，且保持结构的应力水平和重量不上升。

总结

本案例给出了三旋翼无人机一种轻量化设计、分析与优化的方法和流程，得到了以下几点主要结论:

(1) 两种方式的分析结果相近，对分析结果不构成影响;

(2) 结构主要应力集中区域位于机架与底部中心板的连接区域;

(3) 重量相比初始结构减少了860g，降低了61.4%，在满足一定强度和载荷的要求下，质量低于600g，续航时间有所提升;

                                                        向着光亮的地方，keep moving~

看着我们的三旋翼无人机从无到有，一点点的孵化出来，心中百感交集，在这个过程中非常感谢Altair公司的陈伟琦老师对我们在软件操作的悉心指导以及导师龙凯老师理论知识的传授，我们也算是第一次使用Solidthinking软件进行优化设计，很多地方不是很完美，希望各位多多批评和指正！

最后如果您喜欢这篇作品，还请您投上一票^o^，您的鼓励是我们最大的前进动力~

                   

                                                  

---