基于拓扑优化方法的小型无人机轻量化设计开题报告

1. 研究目的与意义

目前无人机已经广泛用于航拍、电力巡检、农业和影视拍摄等领域。尤其是旋翼无人机以其结构简单，不需要反扭装置，成本低和悬停稳定等优点，得到了广泛的应用。无人机结构设计研究大多数集中于对已有无人机结构进行刚度和强度校核，再根据分析结果反复修改结构。轻量化设计的主要目的就是在满足原来的约束、载荷等前提下，有效合理地减少耗材、减轻自身质量，并满足零件的功能性、安全性及耐用性。对零件进行轻量化设计是采用仿真驱动的设计方法，即在传统设计方案流程的初期就进行优化设计，并有效地帮助设计者在满足零部件功能的同时降低耗材，提高产品的质量。随着科技的不断发展，无人机的轻量化设计可以为产品性能带来十分巨大的提升，并且成为产品的核心竞争力。

2. 课题关键问题和重难点

对无人机进行结构优化的关键主要在于通过无人机拓扑优化实现无人机续航能力增强以及机身重量的减少，提高无人机的灵敏度，精确性以及稳定性。也是在满足产品结构强度，可靠性，功能性的前提下实现对产品的减重。无人机在涉及形状和尺寸的反应材料结构的设计是具有挑战性的，这是由于诸如抗冲击性的高度非线性、反应材料的制造限制以及穿透实验的高费用等困难。目前市场上所广泛使用的旋翼无人机系统主要包括飞行控制器、机体结构、动力系统、数据通信链路四部分，但是目前的研究工作主要集中在飞行控制算法,无人机结构设计与分析方面的研究工作较少且不够深入。

3. 国内外研究现状（文献综述）

目前无人机结构研究大多数集中于对已有无人机结构进行刚度和强度校核,再根据分析结果反复修改结构。建立四旋翼无人机结构有限元模型对额定载荷下无人机的结构应力进行了分析。基于最大应力强度准则对无人机结构强度进行了校核。分析了结构的稳定性计算了初始结构失稳临界载荷和失稳模态。基于最小重量要求对无人机初始结构的碳纤维铺层进行了优化设计。对优化后的结构进行了固有振动分析给出了结构的前四阶固有频率和振动模态。通过对四旋翼机飞行原理的分析，给出了四旋翼飞行器机械结构设计的一般流程，并对其动态性能进行分析，其设计与分析过程对于多轴微型飞行器的设计改进具有一定的指导参考意义。采用abaqus建立某四旋翼无人飞行器的力学仿真模型。基于所建立的力学仿真模型,分析了该无人飞行器在旋翼升力、风载荷和降落冲击等工况下结.构的强度和刚度响应,得到了相应的变形和应力云图。多旋翼无人机结构设计是无人机研制的重要环节,结构优化设计方法是保证无人机安全飞行、提高无人机性能的关键。建立无人机结构有限元模型,基于实际工况对机臂及中心板进行静力及屈曲分析;对机臂及中心板的铺层方案进行优化.校核结构强度、刚度和稳定性;并搭建无人机静力测试平台,完成重载四旋翼无人机结构静力加载试验。为了确定多旋翼无人机每个振动传递路径对多旋翼无人机传感器振动的贡献量,运用振动传递路径分析方法，基于cae技术建立了多旋翼无人机振动的结构传递路径有限元分析模型。通过ansys的谐响分析,获得多旋翼无人机机身的振动响应以及振源对于响应点的频响函数,可以计算得到多旋翼无人机z方向振动贡献最大。从传递路径的角度找出了对传感器振动起主导作用的环节,通过控制这些环节,有针对的采取减振措施,可以改观多旋翼无人机传感器的振动问题。采用有限元法对惯性测量单元进行减振设计。以某型系留无人机机体外壳为研究对象,将系留无人机机体结构进行有限元模型简化处理,以模型总体质量作为优化的最终目标函数,以无人机结构外壳的复合材料失效因子作为约束条件,应用工程优化软件对复合材料机体外壳进行自由尺寸优化,整个优化过程需要同时满足复合材料强度及刚度要求。最终从自由尺寸优化结果可以看出,机体结构材料的层间厚度发生了显著变化。与结构设计初期方案比较,经过优化的复合材料铺层厚度降低。最终减轻了无人机的总体重量。

参考文献：

4. 研究方案

无人机进行结构优化设计的关键主要在于通过无人机拓扑优化实现无人机续航能力增强以及机身重量的减少，提高无人机的灵敏度，精确性以及稳定性，也是在满足产品结构强度，可靠性，功能性的前提下实现对产品的减重。

无人机机身模型的三维建模，首先先确定无人机类型为旋翼无人机，关于机体设计，通常为x或者十字型，除去叶片设计以及驱动电机、电池选型外，其他部分以降低负重为主要优化目标，由于实际重量很轻，基本上用工程塑料做壳体即可以，少部分结构如必须加强用碳纤维增强塑料或者铝材。可以先做整体的粗略设计，然后再优化。关于无人机机身模型可以通过ug以及其他三维软件进行一个无人机的建模。

机身结构优化模型建立，为了在满足结构静强度和稳定性要求的前提下使结构最轻根据初始模型的应力分布情况应适当减少碳纤维铺层并对上、下面板几何外形进行修正尽量提高结构承载效率延长续航时间。后面对机身减重优化进行分析对比。

5. 工作计划

首先先确定课题，完成初计划和开题报告，确定整体的设计方向，进行方案的设计和确定。

其次根据建议和意见不断修改其设计方案，在无人机机身优化后的模型确认之后进行建模以及准备所需所需的建模软件和仿真软件，开始模型的制备与调试，完成模型进行优化以及机身减重对比，对优化后的无人机进行所需的计算，之后统计数据完成论文。