陳子樂，左毅成，馬祺雋，張霖，安芬菊

（廣東海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

隨著各國(guó)對(duì)軍事安全的日益重視以及民用市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)，世界各主要國(guó)家都加大了軍用和民用無人機(jī)研制投入，并取得顯著成效[1]。其中，美國(guó)是發(fā)展得最快、實(shí)力最強(qiáng)大的國(guó)家，在軍用無人機(jī)方面是絕對(duì)的霸主，目前投入使用的軍用無人機(jī)已多達(dá)75種[2]。反觀我國(guó)的現(xiàn)狀，雖起步較晚，但后續(xù)發(fā)展較為迅速，到目前為止，投入使用的無人機(jī)型已達(dá)到100多種。特別是民用方面，深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司為該行業(yè)的佼佼者，在全世界擁有航拍型小型無人機(jī)70%的市場(chǎng)份額。這種民用小型無人機(jī)普遍采用四旋翼結(jié)構(gòu)作為機(jī)身，該種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、帶載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。但由于該種結(jié)構(gòu)無法搭載大體積的供電模組，續(xù)航時(shí)長(zhǎng)不足是該種結(jié)構(gòu)的無人機(jī)普遍存在的一個(gè)問題。有研究結(jié)果表明，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)與其自身的質(zhì)量成正比，隨著機(jī)身的質(zhì)量增加，其續(xù)航時(shí)長(zhǎng)也相應(yīng)降低[4]。故對(duì)無人機(jī)機(jī)身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是一種發(fā)展趨勢(shì)，具有節(jié)約材料和提高續(xù)航的雙重優(yōu)勢(shì)，因此具有良好的前景。

Altair Inspire是一款輕量化設(shè)計(jì)軟件，其具備拓?fù)鋬?yōu)化、增材制造設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析等功能。該軟件可應(yīng)用于產(chǎn)品的早期研發(fā)，可減少研發(fā)周期，加速了產(chǎn)品的創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有效降低產(chǎn)品制作的成本[5]。以下運(yùn)用該軟件對(duì)一種四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件從初始強(qiáng)度分析、拓?fù)鋬?yōu)化、幾何重構(gòu)、強(qiáng)度校核等方面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1 初始強(qiáng)度分析

圖1為四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件的實(shí)體模型。由于機(jī)身的主要的載荷來自電動(dòng)機(jī)、電子設(shè)備和載重，因此根據(jù)實(shí)際的受載情況對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化調(diào)整，如圖2所示。

圖1 機(jī)身部件的實(shí)體模型

圖2 機(jī)身部件的簡(jiǎn)化模型

1.1 初始強(qiáng)度分析參數(shù)設(shè)置

在開始初始強(qiáng)度分析前，需要對(duì)模型的材料、約束、載荷及載荷工況等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1）材料。為減少前期的研發(fā)周期，選用ABS作為本次設(shè)計(jì)的材料。

2）約束。由于四旋翼無人機(jī)在控制飛行時(shí)沒有約束，所以采用慣性釋放。

3）載荷。為了模擬四旋翼無人機(jī)搭載有質(zhì)量的物體的實(shí)際情況，例如搭載攝像頭。采用“質(zhì)量點(diǎn)”功能，將攝像頭等物理的質(zhì)量施加在四旋翼無人機(jī)機(jī)身位置5的下方A點(diǎn)，通過柔性連接器連接，連接器端點(diǎn)A的坐標(biāo)為（0 mm，0 mm，-15 mm），搭載物體質(zhì)量為0.1 kg。載荷作用位置和大小分布情況如圖3所示。

圖3 載荷分布情況

F1作用于位置1的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為20 N，方向?yàn)閆軸正方向。 F2作用于位置2的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為20 N，方向?yàn)閆軸正方向。 F3作用于位置3的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為20 N，方向?yàn)閆軸正方向。 F4作用于位置4的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為20 N，方向?yàn)閆軸正方向。 F5作用于點(diǎn)A，坐標(biāo)為（0 mm, 0 mm, -15 mm），大小為60 N，方向?yàn)閆軸負(fù)方向。

4）載荷工況。由于四旋翼無人機(jī)分別工作在不同的情況，因此把載荷工況設(shè)置為兩種。

載荷工況1：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4。

載荷工況2：F5。

1.2 初始強(qiáng)度分析結(jié)果

設(shè)置好分析參數(shù)后，對(duì)模型進(jìn)行初始強(qiáng)度分析，得出在該參數(shù)下模型的最大米塞斯等效應(yīng)力為3.081 MPa（如圖4）、最大位移為0.2489 mm（如圖5）和最小安全系數(shù)為14.6（如圖6）。模型的最大位移要求小于0.8 mm，最小安全系數(shù)要求大于2.5。分析結(jié)果符合要求。

圖4 最大米塞斯等效應(yīng)力

圖5 最大位移

圖6 最小安全系數(shù)

2 拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 指定設(shè)計(jì)空間

在初始強(qiáng)度分析完畢后，要對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，先指定四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件主體部分為設(shè)計(jì)空間，其余灰色的通孔部分為非設(shè)計(jì)空間，如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)空間

2.2 優(yōu)化形狀控制設(shè)定

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)即在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布或傳力路徑，從而在滿足產(chǎn)品性能的條件下得到質(zhì)量最輕的設(shè)計(jì)。為得到最佳方案，對(duì)軟件給出的各種不同的形狀控制進(jìn)行搭配，得出了7種形狀控制的方案，通過對(duì)7種方案進(jìn)行對(duì)比分析來得到最優(yōu)的方案。

方案一：添加對(duì)稱形狀控制。設(shè)置Y-Z，X-Z為基準(zhǔn)平面的雙對(duì)稱約束，提交優(yōu)化求解計(jì)算。

方案二：添加擠出形狀控制。設(shè)置以Y-Z為基準(zhǔn)平面的擠出約束，提交優(yōu)化求解計(jì)算。

方案三：在Y-Z基準(zhǔn)平面添加雙向拔模形狀控制。添加±X方向，基準(zhǔn)平面為Y-Z平面的雙向拔模約束，提交優(yōu)化求解計(jì)算。

方案四：在Y-Z基準(zhǔn)平面添加雙向拔模形狀控制。設(shè)置基準(zhǔn)平面為Y-Z、X-Z平面的雙對(duì)稱約束，添加±X方向、基準(zhǔn)平面為Y-Z平面的雙向拔模約束，提交優(yōu)化求解計(jì)算。

方案五：在Y-Z基準(zhǔn)平面添加單向拔模形狀控制。添加+X方向、基準(zhǔn)平面為Y-Z平面的單向拔模約束，提交優(yōu)化求解計(jì)算。

方案六：在Y-Z基準(zhǔn)平面添加單向拔模形狀控制。設(shè)置基準(zhǔn)平面為Y-Z、X-Z平面的雙對(duì)稱約束，添加+X方向、基準(zhǔn)平面為Y-Z平面的單向拔模約束，提交優(yōu)化求解計(jì)算。

方案七：在X-Y基準(zhǔn)平面添加輻射狀形狀控制。設(shè)置基準(zhǔn)平面為X-Y的輻射狀約束，提交優(yōu)化求解計(jì)算。

7種不同形狀控制方案設(shè)置如圖8所示。

圖8 形狀控制方案

2.3 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

選定好形狀控制后，設(shè)置模型優(yōu)化目標(biāo)為最大化剛度，質(zhì)量目標(biāo)設(shè)計(jì)空間總體積的20%，厚度約束為6 mm，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

圖9 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

2.4 優(yōu)化結(jié)果探究

保持平滑結(jié)果勾選，拖動(dòng)滑條探究?jī)?yōu)化結(jié)果至優(yōu)化結(jié)果連續(xù)，對(duì)幾種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。優(yōu)化結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化結(jié)果

2.5 優(yōu)化模型強(qiáng)度校核

對(duì)四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，設(shè)置分析單元尺寸為2 mm，計(jì)算速度/精度選擇更準(zhǔn)確，對(duì)全部載荷工況分析。優(yōu)化模型強(qiáng)度校核分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化模型強(qiáng)度校核結(jié)果對(duì)比柱狀圖

2.6 方案的初步選擇

根據(jù)上述的對(duì)比結(jié)果以及各個(gè)優(yōu)化方案形狀進(jìn)行分析，控制各方案形狀質(zhì)量在較小的范圍內(nèi)保持相同。7種方案在優(yōu)化后，最小安全系數(shù)、最大米塞斯應(yīng)力均符合要求，從數(shù)據(jù)上看，方案一的各項(xiàng)指標(biāo)都較好，但是其優(yōu)化形狀大面積材料堆積，模型傳力路徑不明顯。故排除方案一。方案三、方案五3項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)一般，且其優(yōu)化后形狀不具有對(duì)稱性，考慮到四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件其對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，故排除方案三、方案五。對(duì)方案二、方案四、方案六、方案七進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，方案二和方案七形狀較為合理，可進(jìn)行再優(yōu)化的可行性更高，因此選擇方案二、方案七進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2.7 方案調(diào)整與參數(shù)改進(jìn)

更改方案二、方案七拓?fù)鋬?yōu)化的厚度約束為3 mm，盡可能在總體設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，即最大變形位移小于0.8 mm，最小安全系數(shù)大于2.5 mm。拖動(dòng)進(jìn)度條使質(zhì)量盡可能減小。得出兩個(gè)方案的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖12、圖13所示。

圖12 方案二拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖13 方案七拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

2.8 參數(shù)調(diào)整后的模型強(qiáng)度校核

對(duì)調(diào)整參數(shù)的模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，得到結(jié)果如表1所示。

通過進(jìn)一步拓?fù)鋬?yōu)化分析后，對(duì)比各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以得出，方案七的質(zhì)量更輕，最大位移小，最小安全系數(shù)高。因此，選擇方案七輻射狀作為最終方案進(jìn)行幾何重構(gòu)。

3 幾何重構(gòu)

幾何重構(gòu)過程包括自動(dòng)重構(gòu)和手動(dòng)重構(gòu)。自動(dòng)重構(gòu)快速方便，可在較短的時(shí)間內(nèi)得出優(yōu)化結(jié)果,但存在局部結(jié)構(gòu)不合理的情況。手動(dòng)重構(gòu)雖需要較長(zhǎng)的優(yōu)化時(shí)間，但得出的優(yōu)化結(jié)果結(jié)構(gòu)更為合理，性能更符合要求。

3.1 自動(dòng)重構(gòu)

自動(dòng)重構(gòu)時(shí)在擬合參數(shù)設(shè)置中調(diào)整平滑結(jié)果為高（如圖14），使優(yōu)化的模型過渡更加流暢，增大PolyNURBS面的數(shù)量，使優(yōu)化的模型更加細(xì)致。由于模型在重構(gòu)后容易產(chǎn)生斷面，為方便調(diào)整和修復(fù)斷面，取消勾選相交PolyNURBS零件，使優(yōu)化后的結(jié)果為PolyNURBS零 件 。 點(diǎn) 擊 擬 合PolyNURBS進(jìn)行擬合，得出優(yōu)化結(jié)果如圖15所示。

圖15 自動(dòng)擬合結(jié)果

由于優(yōu)化后的結(jié)果有超出非設(shè)計(jì)空間的部分，選擇在非設(shè)計(jì)空間上畫出需要?jiǎng)h除對(duì)應(yīng)部分的圓，使用推拉功能刪去超出的部分，如圖16所示。

圖16 刪除超出非設(shè)計(jì)空間部分

3.2 手動(dòng)重構(gòu)

1）對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)包覆，如圖17所示。

圖17 手動(dòng)包覆

2）通過拖拽控制點(diǎn)的方式調(diào)整合適的優(yōu)化結(jié)果，使其與非設(shè)計(jì)空間相交，如圖18所示。

圖18 拖拽控制點(diǎn)

3）使用布爾運(yùn)算工具對(duì)優(yōu)化重構(gòu)結(jié)果和非設(shè)計(jì)空間進(jìn)行幾何相交，形成單一的實(shí)體三維模型，如圖19所示。

圖19 布爾運(yùn)算

4）使用圓角工具處理重構(gòu)結(jié)果與非設(shè)計(jì)空間之間的銜接，如圖20所示。

圖20 圓角處理

5）最后獲得重構(gòu)后方案七模型，如圖21所示。

圖21 方案七手動(dòng)重構(gòu)后模型

4 強(qiáng)度校核

4.1 強(qiáng)度校核參數(shù)設(shè)置

對(duì)四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件結(jié)構(gòu)部件自動(dòng)擬合重構(gòu)和手動(dòng)擬合重構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，設(shè)置分析單元為2 mm，計(jì)算速度/精度選擇更準(zhǔn)確，勾選全部載荷工況分析，如圖22所示。

圖22 強(qiáng)度校核

4.2 兩種重構(gòu)方式的分析結(jié)果

對(duì)兩種重構(gòu)方式進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 自動(dòng)擬合與手動(dòng)重構(gòu)對(duì)比

通過表2 自動(dòng)擬合結(jié)果和手動(dòng)重構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，兩種重構(gòu)方式都符合總體設(shè)計(jì)要求。但是自動(dòng)擬合重構(gòu)局部設(shè)計(jì)空間與非設(shè)計(jì)空間連接凹凸不平，調(diào)整困難。手動(dòng)重構(gòu)表面相對(duì)光滑，連接處過渡較好，更容易進(jìn)行加工制造，因此選擇方案七手動(dòng)重構(gòu)作為最終方案。

5 結(jié)論

四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件初始的強(qiáng)度分析結(jié)果：最大位移為0.248 9 mm，最小安全系數(shù)為14.6，最大米塞斯等效應(yīng)力為3.081 MPa。

輕量化設(shè)計(jì)之后的四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件強(qiáng)度校核結(jié)果：最大位移為0.785 1 mm，最小安全系數(shù)為3.0，最大米塞斯等效應(yīng)力為15.02 MPa。

四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件優(yōu)化前的總質(zhì)量為66.158 g，通過輕量化設(shè)計(jì)之后的總質(zhì)量為31.398 g。

四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件在優(yōu)化前的設(shè)計(jì)空間質(zhì)量為48.391 g（材料ABS），通過輕量化設(shè)計(jì)之后的設(shè)計(jì)空間質(zhì)量為13.630 4 g，實(shí)現(xiàn)了71.8%的減重。

四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件的最大位移為0.785 1 mm，小于所要求的最大位移0.8 mm，最小安全系數(shù)3.0，大于所要求的最小安全系數(shù)2.5，因此四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件強(qiáng)度校核結(jié)果滿足實(shí)際的強(qiáng)度需求。

可見使用輕量化設(shè)計(jì)軟件Altair Inspire對(duì)四旋翼無人機(jī)機(jī)身部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是一種減輕無人機(jī)質(zhì)量，提高續(xù)航能力的有效方法。