基于Inspire 的四旋翼無人機部件輕量化設計方法

高銘言，曹少華，郭江龍，陳 楚，韓銘哲

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

輕量化的目的在于不超出設計空間、減少耗材、滿足力學性能、節(jié)省成本[1-3]。

周冉等[4-6]將輕量化技術運用到成型機縱封部支架、活塞頭部件、拖拉機油底殼結構等機械上。而采用拓撲優(yōu)化技術可以將零件的尺寸、形狀優(yōu)化，以達到零件輕量化的目的[7]。晏一凡等[8]運用拓撲優(yōu)化技術對牽引車平衡軸支架等進行輕量化多目標優(yōu)化設計。隨著增材制造技術的不斷發(fā)展，采用增材制造技術實現(xiàn)結構優(yōu)化能最大限度地提升產(chǎn)品結構效率，其在機械工業(yè)行業(yè)被廣泛應用。王衛(wèi)東等[9]將增材制造技術與拓撲優(yōu)化技術結合起來，生產(chǎn)制造了復雜結構。

拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內對材料分布進行優(yōu)化的設計方法。Altair Inspire 是一個仿真驅動的設計平臺，可適用于產(chǎn)品從概念到制造的整個開發(fā)周期。在設計過程中，Inspire 平臺能夠輔助設計者設計出可供制造的設計，并幫助其在單一開發(fā)環(huán)境中探索、開發(fā)和制造高性能產(chǎn)品。在使用Inspire 軟件進行拓撲優(yōu)化設計的過程中，總結出拓撲優(yōu)化設計軟件在未來應重點關注的方向，以期為自主軟件開發(fā)與迭代提供參考。

1 初始強度分析

使用Inspire 軟件進行初始強度分析，模型的材料為3D 打印常用的ABS 材料（楊氏模量為2 000 MPa、泊松比為0.35、密度為1 060 kg/m3、屈服應力為45 MPa），約束條件為無約束，采用慣性釋放。載荷分布作用在四周的圓孔內側面，大小均為20 N，方向為Z軸正方向。同時底板部位設置一個連接器，坐標為底板中心點正下方15 mm，大小為60 N，方向為Z軸負方向，并且在連接器上施加質量點0.1 kg，具體如圖1 所示?；谏鲜鰠?shù)，設置單元尺寸為2 mm 進行計算，求得最大米塞斯等效應力為3.081 MPa，最大位移為0.249 1 mm，最小安全系數(shù)為14.6。

圖1 模型參數(shù)設置

2 拓撲優(yōu)化

在對模型進行初始強度分析后，使用Inspire 軟件進行拓撲優(yōu)化并進行結構輕量化設計，具體方法如下：①指定無人機機身部件主體部分為設計空間，無人機底板和4 個旋翼為非設計空間，如圖2 所示；②優(yōu)化形狀控制設定，對設計空間設定關于XY平面輻射狀的形狀控制；③優(yōu)化參數(shù)設置，設置優(yōu)化目標質量為20%，厚度約束為3 mm；④優(yōu)化結果探究，保持平滑結果勾選，拖動滑條探究優(yōu)化結果至優(yōu)化結果連續(xù)，具體如圖3 所示。

圖2 設計空間的選擇

圖3 優(yōu)化結果

3 自動幾何重構初試效果探索

首先通過參考文獻[10-11]中前人的研究發(fā)現(xiàn)，自動幾何重構的方法存在較大問題，比如減重比例較小及自動生成的網(wǎng)格密集不利于后續(xù)進行修改。

在對無人機模型進行初始強度分析后，對模型進行自動包絡擬合重構。完成重構后，分析模型發(fā)現(xiàn)，較于手動重構自動重構各方面參數(shù)顯然還有很大的優(yōu)化提升空間。

4 手動幾何重構

4.1 模型擬合

在探究出自動幾何重構的劣勢后，研究出了手動幾何重構的方法來解決上述問題，具體方法如下：①首先確定出優(yōu)化后的設計空間，再使用手動包覆來對模型進行最初的重構，同時使用“+/－”和“刪除”來微調，并且也可以使用框選控制點，進行推拉來微調邊界，避免設計實體的控制點位置不連貫造成曲面扭曲從而導致局部面生成錯誤。②完成一塊模型的包覆后，使用“鏡像”命令對其他部位進行拷貝生成，可以最大程度避免各位置分別包覆所導致力學性能不均勻的狀況。③完成步驟②后，可以將未連接的部分進行“橋接”，橋接完成后將表面中度銳化，在操作過程中，銳化優(yōu)點是可以使零件表面光滑平整，更貼合優(yōu)化后的設計空間，有利于后期的3D 打印，但缺點是有可能會超出設計空間。④完成步驟③后，將模型先復制一份，然后將復制出來的模型布爾合并，再將Inspire 生成的優(yōu)化模型隱藏。⑤對布爾合并后的優(yōu)化模型連接處進行倒圓角處理，可以減小優(yōu)化完成模型的米塞斯應力，以及提升模型的安全系數(shù)。及時用擬合包覆工具對優(yōu)化結果進行幾何重構；通過拖拽控制點的方式調整重構的幾何模型，使其與非設計空間相交；使用布爾運算工具對優(yōu)化重構結果和非設計空間進行幾何相交，形成單一的實體三維模型；使用銳化工具對手動包覆零件的棱角進行銳化，調整其圓滑程度；使用圓角工具處理重構結果與非設計空間之間的銜接，獲得最終的輕量化設計結果。

將手動包覆和自動包覆后得到的模型（如圖4 和如圖5 所示）進行各方面參數(shù)對比，結果表明，手動包覆效果更為理想。

圖4 手動包覆結果

圖5 自動包覆結果

4.2 強度校核

4.2.1 分析參數(shù)設置

設置單元尺寸為2 mm，選擇重力且使用慣性釋放，如圖6 所示。

圖6 Optistruct 分析

4.2.2 分析結果

分析完成后得到輕量化的最終模型，質量為32.52 g，如圖7 所示。輕量化模型滿足強度要求，最終模型如圖8 所示。

圖7 分析結果

圖8 最終模型

5 結語

無人機機身結構在優(yōu)化前質量為166.16 g（材料ABS），通過輕量化設計之后的質量為32.52 g。

對無人機機身結構進行輕量化設計實現(xiàn)了80.59%的減重，四旋翼無人機部件的最大米塞斯等效應力為7.923 MPa，最小安全系數(shù)為5.7，強度不超過材料的屈服應力，滿足實際的強度需求。在輕量化設計后，模型得到了很大的減重，并且也確保了模型各方面數(shù)據(jù)都滿足設計需求。

使用輕量化可以最大程度地實現(xiàn)對模型材料的再分布，可以最大化對應材料的材料屬性。而輕量化設計的核心內容就是擬合，擬合的效果決定了模型的質量、性能。手動重構實質上是一種探索，對于零件的優(yōu)化永遠沒有標準答案，沒有最好，只有更好。在手動重構中也許會嘗試上百種的參數(shù)組合方式，但是這也是輕量化設計的魅力所在。同樣的性能，材料節(jié)省更多，更符合輕量化設計的初衷——“輕”，這也是其具有顯著推廣意義的重要原因。