李錦山 趙健瑞 楊偉群

引言

拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)給定載荷工況、約束條件和性能指標(biāo)，優(yōu)化初始構(gòu)型材料分布的設(shè)計(jì)方法?？梢栽诋a(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段確定產(chǎn)品最優(yōu)材料分布。[1] 隨著拓?fù)鋬?yōu)化算法的成熟，商業(yè)化拓?fù)鋬?yōu)化軟件逐漸興起，該設(shè)計(jì)方法已被成功應(yīng)用與助推汽車(chē)、航空航天、材料等多個(gè)領(lǐng)域。[2， 3]

本項(xiàng)目將拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造兩種技術(shù)結(jié)合[4]，研究一體化設(shè)計(jì)制造場(chǎng)景下，小型飛行器的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增材工藝，從結(jié)構(gòu)—材料—工藝三方面綜合建模來(lái)研究各種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和飛行性能，探索新型飛行器的設(shè)計(jì)與制作技術(shù)。使用低密度發(fā)泡PLA，應(yīng)用FDM和FFF增材工藝，實(shí)現(xiàn)零件打印。

小型飛行器飛行參數(shù)獲取

翼型數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)機(jī)翼三維模型獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)，將翼型數(shù)據(jù)導(dǎo)入XFLR5軟件，進(jìn)行分析。

設(shè)置輸出結(jié)果，開(kāi)始分析機(jī)翼不同迎角下的相關(guān)氣動(dòng)參數(shù)的變化曲線，得到升力系數(shù)-阻力系數(shù)變化曲線（如圖1所示）、翼型升力系數(shù)隨迎角變化曲線（如圖2所示）。翼型升力系數(shù)隨迎角變化曲線（圖2曲線）用于升力分析及迎角選擇，進(jìn)一步分析俯仰力矩，曲線有負(fù)斜率，翼型具有俯仰穩(wěn)定性。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)及總體參數(shù)[5]

本文中的航模，采用鴨式布局。三角翼與機(jī)身融合保持了翼面的完整，有利于晶格設(shè)計(jì)。機(jī)身與垂尾采用抽插式設(shè)計(jì)，減小運(yùn)輸空間。

其幾何尺寸為翼展600mm，機(jī)長(zhǎng)530mm，機(jī)身長(zhǎng)240mm，機(jī)身寬70mm。

氣動(dòng)分析

XFLR5是基于升力線理論，通過(guò)渦流晶格法，用于低雷諾數(shù)運(yùn)行的翼型、整機(jī)分析工具。

為保證仿真測(cè)試的準(zhǔn)確，在軟件中建立氣動(dòng)模型與實(shí)際飛機(jī)等比例，設(shè)定分析空速同預(yù)期性能以確保運(yùn)動(dòng)相似，分析選取不同雷諾數(shù)范圍以覆蓋動(dòng)力相似的范圍。

在軟件中依據(jù)模型設(shè)置幾何參數(shù)，分析10m/ s空速下的整機(jī)氣動(dòng)參數(shù)，所得的分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3得升阻比、升力系數(shù)均較大的迎角，取值約為6°，可作為安裝角與飛行角度調(diào)整的參考。起飛選取10°～15°大角度以便升力充足。

拓?fù)鋬?yōu)化

該部分旨在針對(duì)載荷工況進(jìn)行輕量化。依據(jù)受力與制造分塊，相應(yīng)拓?fù)鋬?yōu)化分為兩大部分：

（1）機(jī)翼及尾翼的格柵化處理；

（2）機(jī)身部分的格柵化填充。

機(jī)翼作為主要的受力部件，設(shè)定勻速飛行時(shí)的升阻力為載荷，基于此進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。機(jī)身在保證支撐強(qiáng)度的前提下，盡可能多地進(jìn)行輕量化。

飛機(jī)各段拓?fù)鋬?yōu)化

機(jī)翼格柵化處理

機(jī)翼部分通過(guò)多參數(shù)計(jì)算輕量化結(jié)構(gòu)[6]，經(jīng)過(guò)分析，得到飛機(jī)平飛時(shí)的機(jī)翼載荷。即作用于機(jī)翼下表面的壓強(qiáng)P1 =2.25×10-5MPa，作用于機(jī)翼前緣的風(fēng)阻壓強(qiáng)P2 =1.5×10-6MPa。

在該載荷工況下，以最小質(zhì)量、1.2安全系數(shù)、格柵填充率100%為設(shè)計(jì)目標(biāo)，改變格柵的長(zhǎng)度L、最大直徑dmax、最小直徑dmin3個(gè)參數(shù)。部分優(yōu)化模型如圖4，經(jīng)過(guò)后續(xù)分析獲得對(duì)比評(píng)估數(shù)據(jù)如圖5。

模型選擇材料類(lèi)型為尼龍材料，密度取值為1 . 1 4 g / c m3。設(shè)計(jì)前，機(jī)翼總質(zhì)量M總 = m1+m2+m3 = 509.7g。將優(yōu)化重點(diǎn)的質(zhì)量數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖6所示。目標(biāo)長(zhǎng)度較小時(shí)，取得較低的優(yōu)化質(zhì)量。

綜合考慮受載變形情況、應(yīng)力強(qiáng)度分布情況、優(yōu)化模型完整性、制造復(fù)雜度等因素（壓力云圖如圖7所示），初步選用第五組格柵優(yōu)化模型，即L=12mm，dma=1.2mm，dmin =2.4mm，飛機(jī)機(jī)翼部分減重至原質(zhì)量的30.06%。

尾翼格柵化處理

尾翼部分設(shè)定載荷工況為：作用于尾翼前端的運(yùn)動(dòng)阻力。

尾翼優(yōu)化進(jìn)行了五組不同參數(shù)的格柵化處理，優(yōu)化后的模型以及其性能相關(guān)參數(shù)如圖8所示。尾翼優(yōu)化前質(zhì)量m初=35.384g，提取出優(yōu)化后模型的質(zhì)量有關(guān)數(shù)據(jù)與優(yōu)化前模型進(jìn)行對(duì)比，并繪制成表格如圖9所示。根據(jù)表中圖像變化看出，隨著格柵目標(biāo)長(zhǎng)度的增加，優(yōu)化后模型質(zhì)量與優(yōu)化后所占質(zhì)量百分比隨之增加。

由圖中數(shù)據(jù)可以看出，第三組優(yōu)化參數(shù)，即目標(biāo)長(zhǎng)度8mm，最小直徑0.8mm，最大直徑1.6mm的設(shè)定下，優(yōu)化所得模型能夠在保證使用強(qiáng)度盡可能高和加工難度盡可能低的情況下，總質(zhì)量較多地減少。尾翼優(yōu)化前后的模型如圖10所示。

機(jī)身以及襟翼的格柵化填充

該部分主要受連接部位的約束與作用力，不易根據(jù)實(shí)際情況量化，采用參數(shù)化的格柵填充。主要依據(jù)優(yōu)化后模型完整性與輕量化結(jié)果，選定合適的格柵尺寸與類(lèi)型[體心立方（BCC）、簡(jiǎn)單立方（SC）、簡(jiǎn)單立方—體心立方（SC-BCC）、面心立方（FCC）、八角桁架（OT）、八面體桁架（TT）、K桁架（KT）、金剛石立方（DC）]。

考慮結(jié)構(gòu)、工藝性、經(jīng)濟(jì)性后，優(yōu)化部分零件結(jié)果如下。

機(jī)頭部分選定單元格尺寸3 m m、梁半徑0.45mm，如圖11。該部分優(yōu)化前總質(zhì)量M1=827.9g，優(yōu)化后總質(zhì)量M2=252.4g，減重為優(yōu)化前質(zhì)量的30.49%。

不同類(lèi)型晶格結(jié)構(gòu)下的襟翼模型經(jīng)過(guò)強(qiáng)度分析計(jì)算，最大位移量以及相對(duì)于體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）最大應(yīng)變比值，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖13所示。根據(jù)晶格填充的完整性以及最大位移量，金剛石立方（DC）為強(qiáng)度最佳結(jié)構(gòu)?？紤]制造的工藝性以及實(shí)際強(qiáng)度環(huán)境，體心立方（BCC）為最適結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

整體優(yōu)化結(jié)果及氣動(dòng)分析

飛機(jī)最終優(yōu)化后的模型如圖14所示，優(yōu)化前總質(zhì)量M0=1.8788kg，優(yōu)化后總質(zhì)量為M=585.26g，質(zhì)量減少68.84%。（注：以上計(jì)算均是基于尼龍材料，ρ=1.14g/cm3，與打印所用材料不同。）

飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化均是基于Inspire軟件平臺(tái)進(jìn)行處理，所得到的輕量化設(shè)計(jì)后的模型符合輕量化設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并在強(qiáng)度設(shè)計(jì)上符合實(shí)際強(qiáng)度要求，同時(shí)設(shè)計(jì)也兼具航模飛機(jī)制造的可行性與經(jīng)濟(jì)性。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的飛機(jī)變化的參數(shù)導(dǎo)入XFLR5軟件，進(jìn)行氣動(dòng)分析處理。結(jié)合實(shí)際情況和必要理論估計(jì)，設(shè)置相應(yīng)的飛行參數(shù)。

最終所得到的飛機(jī)設(shè)計(jì)模型，飛機(jī)飛行時(shí)的升力系數(shù)、阻力系數(shù)相關(guān)參數(shù)曲線如圖15所示。優(yōu)化前后飛機(jī)氣動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示，在最適迎角6°的情況下，升力系數(shù)和升阻比均有提升，由于機(jī)身、機(jī)翼質(zhì)量減輕，整機(jī)重心前移，穩(wěn)定裕度取得83%的提升，飛機(jī)穩(wěn)定性有所提高。

增材制造

主要使用LW-PLA線材，結(jié)合FFF與FDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜格柵化模型與部分殼體的3D打印。

主要材料

PolyLite？LW-PLA，作為零件原材料，參數(shù)如表2。其發(fā)泡率隨溫度變化，在打印溫度240℃時(shí)ρ=0.69g/cm3，可據(jù)此估算其余參數(shù)并用于強(qiáng)度校核；水溶性PVA，作為復(fù)雜晶格的支撐材料，便于去除。

零件制造

設(shè)備選用上海遠(yuǎn)鑄公司開(kāi)發(fā)的FUNMAT PRO 610 HT工業(yè)打印機(jī)，尺寸、溫度可以滿足高性能熱塑材料的一體化機(jī)身和機(jī)翼打印。包含兩個(gè)噴嘴，可以實(shí)現(xiàn)支撐與主體兩種材料的同時(shí)打印。

參考已有研究結(jié)果[8-10]，經(jīng)過(guò)實(shí)際打印參數(shù)調(diào)試，最終確定相關(guān)打印參數(shù)如表3所示，該參數(shù)下的打印件表面天然啞光、強(qiáng)度符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景要求。

對(duì)于拓?fù)鋬?yōu)化后的格柵化零件，其結(jié)構(gòu)上存在多處懸臂格柵以及復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。如果直接進(jìn)行3D打印制造，將會(huì)產(chǎn)生大量拉絲，增加后續(xù)零件的處理工作量。我們采用水溶性支撐結(jié)構(gòu)，降低了模型損壞的風(fēng)險(xiǎn)，考慮PLA材料的熱變形溫度，取約45 ℃水溶液實(shí)現(xiàn)去除。[7] 打印結(jié)果及PVA材料的去除后的零件如圖16、17所示。

飛行器整體分析與試飛

飛行器整體分析

經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)以及低密度材料的增材制造，小型航模飛行器機(jī)架減重至163.9g，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)輕量化的目標(biāo)。具體零件質(zhì)量如表4所示。

裝配必要的控制裝置、動(dòng)力裝置、連接件等，最終實(shí)際裝配的飛行器質(zhì)量為424.1g。裝配后的整機(jī)如圖18所示。

飛行器試飛

飛行器在室內(nèi)吊掛進(jìn)行飛行姿態(tài)調(diào)試，調(diào)試過(guò)程中，飛行器有明顯的上升姿態(tài)，動(dòng)力系統(tǒng)能夠?yàn)轱w機(jī)提供必要的升力。

飛機(jī)經(jīng)過(guò)室外試飛，能夠滿足航模飛機(jī)優(yōu)化前的飛行要求，在氣動(dòng)分析中的10m/s設(shè)定速度下能夠?qū)崿F(xiàn)飛行目標(biāo)。飛行器經(jīng)過(guò)輕量化處理后，飛機(jī)整體強(qiáng)度基本滿足實(shí)際要求的同時(shí)，飛行性能有所提高，實(shí)現(xiàn)了飛行器的輕量化處理，完成了該項(xiàng)研究既定的研究目的與設(shè)計(jì)目標(biāo)。

總結(jié)與展望

本項(xiàng)目將現(xiàn)有小型飛行器進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造兩項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小型飛行器的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增材工藝應(yīng)用。在滿足基本強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，輕量化設(shè)計(jì)后的飛行器重量更輕、抗摔性更好、模型可修復(fù)性更強(qiáng)、飛行性能更好。

目前，航模市場(chǎng)逐漸由專(zhuān)業(yè)化向普及化方向發(fā)展，為了適應(yīng)技術(shù)化、年輕化、理想化的市場(chǎng)要求，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝三方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)小型航模飛行器的低成本化、DIY化、輕量化。

本項(xiàng)目研究完成了對(duì)于小型航模飛行器與新型技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、復(fù)合增材制造技術(shù)兩項(xiàng)技術(shù)在小型飛行器制造上的應(yīng)用初步探索，拓寬了低成本、輕制造、高強(qiáng)度的航模飛機(jī)市場(chǎng)，探索了工業(yè)軟件關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

未來(lái)，航模市場(chǎng)依然保持著良好的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)也將繼續(xù)致力于新型航模的設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)一步提升，立足市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出更適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊婷， 錢(qián)波， 胡珍濤， 等. 基于連續(xù)纖維增材制造工藝的四旋翼無(wú)人機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化[J]. 工程塑料應(yīng)用， 2023，51（10）： 76-84.

[2] 胡三寶. 多學(xué)科拓?fù)鋬?yōu)化方法研究[D]. 華中科技大學(xué)， 2011.

[3] 王磊， 盧秉恒. 我國(guó)增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J]. 中國(guó)工程科學(xué)， 2022，24（04）： 202-211.

[4] 劉書(shū)田， 李取浩， 陳文炯， 等. 拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造結(jié)合：一種設(shè)計(jì)與制造一體化方法[J]. 航空制造技術(shù)， 2017（10）： 26-31.

[5] 沈海軍， 等. 微小飛機(jī)設(shè)計(jì)與制作漸進(jìn)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社， 2019.

[6] 羅勇， 杜平， 朱麗君， 等. 基于Inspire軟件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例分析[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床， 2021（11）： 31-34.

[7] 鄒愛(ài)玲， 單忠德， 陳意偉， 等. 增材制造工藝參數(shù)對(duì)PLA/AF復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度影響[J]. 工程塑料應(yīng)用， 2021，49（07）： 82-86.

[8] 張肖男， 單忠德， 范聰澤， 等. 增材制造用PLA/連續(xù)碳纖復(fù)合材料力學(xué)性能[J]. 工程塑料應(yīng)用， 2019，47（08）： 91-95.

[9] 趙健， 劉效朋， 王澤武. 基于3D打印的PLA材料力學(xué)性能研究[J]. 塑料工業(yè)， 2020，48（07）： 139-143.

[10] 郭南辛， 王沖， 王強(qiáng)龍， 等. 柔性?shī)A鉗的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及其3D打印制造[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 2021，37（05）： 35-40.