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        基于3D 打印的船載無人機參數(shù)化設(shè)計

        2023-05-04 14:01:52
        艦船科學技術(shù) 2023年5期
        關(guān)鍵詞:鴿群柔度力學性能

        饒 婕

        (桂林航天工業(yè)學院,廣西 桂林 541004)

        0 引 言

        船載無人機可實時采集船舶航行環(huán)境的相關(guān)信息,為駕駛員提供船舶航行的水域信息,及時發(fā)現(xiàn)危險物體,避免發(fā)生碰撞事故[1]。船載無人機具備垂直起降與高效巡航特性,可提升無人機飛行效率,延長飛行時間[2]。現(xiàn)代船載無人機的使用特點,導致對其結(jié)構(gòu)重量提出更高的要求。減輕船載無人機結(jié)構(gòu)重量,還可有效降低材料的消耗量[3]。為實現(xiàn)船載無人機的輕量化設(shè)計,需研究無人機參數(shù)化設(shè)計方法。有學者通過網(wǎng)格重構(gòu)法,建立船載無人機參數(shù)化模型,該方法可有效完成船載無人機的參數(shù)化設(shè)計,設(shè)計完成的船載無人機應(yīng)用性較優(yōu)[4]。有學者通過分析船載無人機的氣動/推進耦合特性,對船載無人機進行參數(shù)化設(shè)計。該方法設(shè)計的船載無人機重量較輕,續(xù)航性能較優(yōu)。但這2 種方法均只實現(xiàn)了船載無人機的輕量化設(shè)計,并未考慮船載無人機的力學性能,導致船載無人機的結(jié)構(gòu)柔度較大,降低船載無人機結(jié)構(gòu)間連接的光滑性與全連通性。3D 打印是通過粉與塊等形狀的材料,逐層堆疊構(gòu)造物體的一種技術(shù),可完全根據(jù)設(shè)計者的創(chuàng)意加工獲取其需要的目標物體,具備材料利用率高,廢料形成量少的優(yōu)勢[5]。為此研究基于3D 打印的船載無人機參數(shù)化設(shè)計方法,降低船載無人機的結(jié)構(gòu)柔度,提升船載無人機的力學性能。

        1 船載無人機參數(shù)化設(shè)計

        1.1 船載無人機的三維建模

        采用面向3D 打印技術(shù)的SolidWorks 軟件提供的API 接口實施二次開發(fā),設(shè)計友好的船載無人機參數(shù)化設(shè)計交互界面,由該界面建立船載無人機的三維模型。船載無人機的三維建模流程如圖1 所示。船載無人機的三維建模具體步驟如下:

        圖1 船載無人機的三維建模流程Fig.1 3D modeling process of shipborne UAV

        1) 拉伸船載無人機機架與槳葉等零部件的外框?qū)嶓w,切除外框?qū)嶓w得到各零部件間的連接口,并進行修整操作,完成船載無人機三維建模過程的確定。

        2) 以船載無人機結(jié)構(gòu)柔度最小為目標,建立船載無人機設(shè)計參數(shù)確定模型,通過變權(quán)重變異鴿群優(yōu)化算法,求解該模型,得到最小結(jié)構(gòu)柔度對應(yīng)的船載無人機設(shè)計參數(shù)。

        3) 界面設(shè)計,在該界面內(nèi)輸入確定的船載無人機設(shè)計參數(shù),自動生成船載無人機各部件的三維模型。

        4) 通過設(shè)計界面,先確定主體框架,再通過Solid-Works 軟件提供的API 接口,啟動SolidWorks 軟件的建模程序,達到船載無人機自動三維建模的目的。

        5) 當船載無人機三維建模成功時,則輸出船載無人機的三維模型;反之,返回步驟4,重新建模。

        1.2 面向3D 打印的船載無人機設(shè)計參數(shù)確定

        利用面向3D 打印技術(shù)的Solidworks 軟件,建立船載無人機三維模型過程中,需要先確定船載無人機的設(shè)計參數(shù)。利用船載無人機的結(jié)構(gòu)柔度,衡量其全局剛度,結(jié)構(gòu)柔度越小,全局剛度越大,船載無人機的力學性能越佳。對3D 打印船載無人機進行輕量化設(shè)計,可降低船載無人機重量,節(jié)約生產(chǎn)消耗。為此以最小結(jié)構(gòu)柔度為目標,體積、應(yīng)變與梯度為約束條件,建立船載無人機設(shè)計參數(shù)確定模型,公式如下:

        式中:t確定船載無人機各零部件的尺寸;p確定船載無人機各零部件的厚度;y(u) 為結(jié)構(gòu)柔度;u為位移場。y(u)的計算公式如下:

        式中:E為船載無人機設(shè)計域內(nèi)的可變剛度張量;Ω為船載無人機實體材料參考域;f為體積力;g為牽引邊界 Γ的牽引力;s為黎曼邊界的面力。

        為防止船載無人機結(jié)構(gòu)過度突變導致結(jié)構(gòu)曲率較大,出現(xiàn)應(yīng)力集中問題,在式(1)內(nèi)添加梯度約束、應(yīng)變約束與體積約束,要求船載無人機在指定的體積結(jié)構(gòu)內(nèi)具有最大的剛度,降低船載無人機重量,提升船載無人機的力學性能。為此將式(1)變更為如下的連續(xù)形式,即

        式中:Ωmax為船載無人機實體材料占據(jù)的區(qū)域;B為船載無人機體積。

        式(3)的體積、梯度、應(yīng)變約束條件為:

        式中:σ為船載無人機應(yīng)力;ε為應(yīng)力閾值;v為虛位移;δ(u),δ(v)為u,v的線性應(yīng)變;Bˉ為指定的船載無人機積極約束值;‖?t‖為t的梯度;h為梯度約束值;uˉ為位移約束值。

        為防止船載無人機三維建模過程中,重新剖分網(wǎng)格,引入Heaviside 函數(shù)Z,變更式(3)獲?。?/p>

        式中,λ為船載無人機結(jié)構(gòu)的形狀描述函數(shù)。

        式(4)的約束條件變更為:

        式中:η為正則化程度;α為確保船載無人機總剛度的非奇異性。

        利用變權(quán)重變異鴿群優(yōu)化算法,求解式(5),獲取最小結(jié)構(gòu)柔度的船載無人機設(shè)計參數(shù)。

        步驟1參數(shù)初始化。

        步驟2鴿群速度與位置更新公式如下:

        式中:Qi,Xi為第i個鴿群速度、位置;Xbest為迭代次數(shù);R為地圖因子;Xbest為全局最佳位置;γ為隨機數(shù)。

        步驟3更新種群,計算新位置的適應(yīng)度值,以式(5)的目標函數(shù)為適應(yīng)度值,更新適應(yīng)度最差鴿群的速度與位置,公式如下:

        式中:Qworst(l),Qworst(l) 為最差鴿群速度與位置;f(Xi),f(Xbest)為Xi,Xbest的適應(yīng)度值。

        步驟4計算全局最佳位置Xbest,分析Xbest是否達到最大,若達到最大,則結(jié)束算法,輸出最小結(jié)構(gòu)柔度對應(yīng)的船載無人機設(shè)計參數(shù);反之,返回步驟3。

        1.3 船載無人機的3D 打印

        在3D 打印軟件內(nèi),輸入面向3D 打印技術(shù)的Solidworks 軟件建立的船載無人機三維模型,進行船載無人機的3D 打印,船載無人機3D 打印流程如圖2 所示。具體步驟如下:

        圖2 船載無人機3D 打印流程Fig.2 3D printing process of shipborne UAV

        1)3D 打印軟件內(nèi)導入船載無人機三維模型。

        2)通過Magics 修復導入的船載無人機三維模型;在導入三維模型過程中,可能會出現(xiàn)較小的缺陷,采用Magics 技術(shù)可自動修復該缺陷;

        3)分層處理。在打印船載無人機前,需分層處理船載無人機三維模型,獲取每層的無人機數(shù)據(jù),確定打印方向,以及開始與結(jié)束指令;

        4)通過3D 打印軟件讀取每層無人機數(shù)據(jù),并實施打印,得到船載無人機,完成船載無人機參數(shù)化設(shè)計。

        2 性能測試與分析

        以某KVLCC2 船為實驗對象,利用本文方法為該船設(shè)計船載無人機,用于實時觀測航行環(huán)境信息。該船長8 m,寬1.279 9 m,排水體積3.383 5 m3。該船載無人機的設(shè)計需求為最大平飛速度在30~35 m/s 之間,最大應(yīng)力范圍在60~70 MPa 之間。

        利用本文方法確定該船載無人機的設(shè)計參數(shù),最小結(jié)構(gòu)柔度的計算結(jié)果如圖3 所示??芍?,本文方法可有效計算船載無人機的最小結(jié)構(gòu)柔度,當?shù)螖?shù)達到7 次左右時,便完成收斂,結(jié)構(gòu)柔度降至最低,本文方法計算結(jié)構(gòu)柔度時的收斂速度快。

        圖3 最小結(jié)構(gòu)柔度計算結(jié)果Fig.3 Determination results of minimum structure compliance

        最小結(jié)構(gòu)柔度對應(yīng)的船載無人機設(shè)計參數(shù)如表1所示??芍疚姆椒捎行Т_定最小結(jié)構(gòu)柔度對應(yīng)的船載無人機設(shè)計參數(shù)。對比初始值可知,本文方法確定的船載無人機設(shè)計參數(shù),均低于初始值,有效節(jié)約船載無人機的制造材料,達到船載無人機輕量化設(shè)計的目的。

        表1 船載無人機設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of shipborne UAV

        利用本文方法根據(jù)確定的船載無人機設(shè)計參數(shù),建立船載無人機三維模型,如圖4 所示??芍?,本文方法可根據(jù)確定的船載無人機設(shè)計參數(shù),完成無人機的三維建模,本文方法建立的三維模型,可清晰呈現(xiàn)船載無人機的細節(jié)信息。實踐證明,本文方法具備船載無人機三維建模的可行性。

        圖4 船載無人機三維模型Fig.4 Three-dimensional model of shipborne UAV

        利用本文方法對船載無人機進行3D 打印,3D 打印結(jié)果如圖5 所示??芍疚姆椒捎行Ц鶕?jù)船載無人機的三維模型,得到船載無人機的3D 打印結(jié)果。實踐證明,本文方法可有效完成船載無人機參數(shù)化設(shè)計。

        圖5 船載無人機3D 打印結(jié)果Fig.5 3D printing results of shipborne UAV

        在本文方法設(shè)計的船載無人機中,隨機選擇2 個位置,分別在這2 個位置處施加一豎直方向的集中力150 N,分析本文方法設(shè)計的船載無人機的最大應(yīng)力,分析結(jié)果如圖6 所示??芍?,隨著時間的延長,船載無人機2 個位置承受的最大應(yīng)力越大,位置1處的最大應(yīng)力在67 MPa 左右,位置2 處的最大應(yīng)力在63 MPa 左右,均在船載無人機最大應(yīng)力的控制范圍內(nèi),說明本文方法設(shè)計的船載無人機符合強度與剛度等力學性能的需求。

        圖6 船載無人機的最大應(yīng)力分析結(jié)果Fig.6 Maximum stress analysis results of shipborne UAVs

        3 結(jié) 語

        針對船載無人機制造過程繁瑣、材料消耗較多等問題,研究基于3D 打印的船載無人機參數(shù)化設(shè)計方法,利用3D 打印技術(shù)成本低、過程簡單、制造效率高等優(yōu)勢,提升船載無人機參數(shù)化設(shè)計效果。在降低船載無人機結(jié)構(gòu)重量的同時,加強船載無人機的力學性能。

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