微型旋翼式無人機(jī)電池支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法探析

于海生，孫昕，甘子?xùn)|

（尚良仲毅（沈陽）高新科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著控制技術(shù)和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，世界上已經(jīng)有很多國家展開了無人機(jī)的研究和制造，其中微型旋翼式無人機(jī)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，教育科研、航拍、農(nóng)業(yè)、軍事、警用安全領(lǐng)域等都有應(yīng)用。無人機(jī)的構(gòu)造也是比較簡單的，包括航電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等，并且每個系統(tǒng)都具有能完成相適合的某些任務(wù)的功能，被稱作空中機(jī)器人，并且比有人駕駛的飛行器造價更低，降低了有人駕駛的風(fēng)險，適用于各種復(fù)雜的環(huán)境。其中微型旋翼式無人機(jī)電池支架結(jié)構(gòu)是支撐無人機(jī)續(xù)航的重要組成部分，將電池支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化也是提升無人機(jī)續(xù)航能力的目標(biāo)。

1 原電池支架有限元分析

無人機(jī)在飛行的過程中，由于受到震動和過載等影響，為了保證飛行器內(nèi)部電池的正常安全使用，要對支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和合理的設(shè)計(jì)[1]。微型旋翼式無人機(jī)電池的支架包括電池座固定部、電池固定部、功率分配器，其材料是通過ABS材料制作而成的。將上端的卡扣與底部卡槽一一對應(yīng)，水平安裝在無人機(jī)底部電池支架中的電池結(jié)構(gòu)為鋰電池，其電池支架的承受力為0.0728MPa，電池支架的材料ABS屈服強(qiáng)度為24.5MPa，電池支架足夠承受強(qiáng)度要求。

圖1 電池安裝位置及三維尺寸圖

2 拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)

連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化即拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域中的兩個關(guān)鍵，中心思想是在給定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)將最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)變成為尋找承受載荷的優(yōu)化材料問題，一般有變密度法、均勻化法等方法，而連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化的本質(zhì)是分解、離散，離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是由梁單元建立基礎(chǔ)，要形成最終的拓?fù)浞桨竸t需要根據(jù)算法對空間單元進(jìn)行排除最終保留的則為最優(yōu)拓?fù)浞桨浮Ｒ话銦o人機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化的流程，首先是有限元分析，其次僅有模型的優(yōu)化，之后運(yùn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的敏度、敏度過濾、優(yōu)化求解，然后判斷是否符合收斂條件，如果不符合直至符合條件在輸出，最后將優(yōu)化的結(jié)果輸出，顯示結(jié)構(gòu)中最優(yōu)的拓?fù)湫问剑瑥亩_(dá)到優(yōu)化的目的。在進(jìn)行3D打印之前要了解各種模型的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型，還要知道打印機(jī)只能識別特定類型的數(shù)據(jù)。對于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來說，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，以更少的材料、更低的成本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最佳功能，將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)替換為系統(tǒng)的、定向的設(shè)計(jì)。尺寸、形狀和拓?fù)浞謩e為結(jié)構(gòu)的三個形式，則與之對應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也應(yīng)分為三種優(yōu)化：（1）尺寸優(yōu)化：對無人機(jī)的結(jié)構(gòu)如截面尺寸，關(guān)鍵部件的厚度分布；（2）形狀優(yōu)化：對無人機(jī)的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行桿系結(jié)構(gòu)優(yōu)化；（3）拓?fù)鋬?yōu)化：對無人機(jī)桿系結(jié)構(gòu)的點(diǎn)對點(diǎn)、開孔數(shù)和位置結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行優(yōu)化。影響產(chǎn)品的性能主要還是要選擇正確的結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，所以對于拓?fù)鋬?yōu)化來說，它的影響價值遠(yuǎn)大于另外兩種的優(yōu)化方式，而拓?fù)鋬?yōu)化的中心思想還是在有限的空間內(nèi)如何將最優(yōu)的材料進(jìn)行分別，其包含了兩種優(yōu)化連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

圖2 微型無人機(jī)

首先，要確定目標(biāo)函數(shù)，找到質(zhì)量最小的材料密度分布方案，滿足剛度和強(qiáng)度等性能，其優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：飛行器質(zhì)量M（x），材料密度ρ。其次，確定設(shè)計(jì)變量，無人機(jī)中央面板區(qū)域的參數(shù)不能隨意變動，所以只能改變電池支架結(jié)構(gòu)的材料作為變量，而無人機(jī)平穩(wěn)飛行的因素也離不開正確的約束函數(shù)，工作狀態(tài)下無人機(jī)電池支架垂向位移不能超過規(guī)定值，保證機(jī)架有足夠的強(qiáng)度，（σmax(z) ≤ [σ]，σmax(z)為Von Mises平均等效應(yīng)力，MPa；[σ]為材料的許用應(yīng)力,值為 24.5MPa）。最后，了解無人機(jī)電池支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的流程。

3 電池支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)

對于已經(jīng)確定好的結(jié)構(gòu)類型和形式、工作狀態(tài)和各種的條件（剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等等條件）進(jìn)行優(yōu)化并要達(dá)到設(shè)計(jì)方案中的材料分布合理這一目標(biāo)，就需要對提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不斷地反復(fù)優(yōu)化求解并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)優(yōu)化變量和優(yōu)化層次的不同,優(yōu)化過程可以分為拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的概念設(shè)計(jì)。基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段一其中拓?fù)鋬?yōu)化位于整個優(yōu)化過程的起始階段,目標(biāo)是尋求結(jié)構(gòu)中力的最佳傳遞路線或材料的最佳分布，其優(yōu)化結(jié)果的拓?fù)湫问經(jīng)Q定了后續(xù)的形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。因而，在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段獲得結(jié)構(gòu)的初始最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于最終的優(yōu)化結(jié)果尤為重要[4]。

首先，要通過軟件的方式來對無人機(jī)飛行器的電池支架進(jìn)行建模可以通過SolidWorks進(jìn)行，并通過HyperMesh或OptiStruct軟件對ABS塑料材料屬性進(jìn)行添加，并對模型進(jìn)行有限元的建立，對模型缺陷處進(jìn)行修復(fù)和清理，在模型上建立2D網(wǎng)格劃分，通過3D Elem Offset模塊拉伸創(chuàng)建模型的3D六面體網(wǎng)格，對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測，對于不符合要求的網(wǎng)格需要再次進(jìn)行修復(fù)。然后，確定優(yōu)化目標(biāo)，在優(yōu)化的過程中將支架的橫、縱方向設(shè)置為約束條件。最后，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的分析，考慮加工制造的工藝性和設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行迭代，調(diào)正閾值，確定優(yōu)化結(jié)果[5]。

4 拓?fù)鋬?yōu)化后電池支架驗(yàn)證

對設(shè)計(jì)好的微型旋翼式無人機(jī)電池支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化后的支架進(jìn)行驗(yàn)證，最后的結(jié)果是優(yōu)化后的支架最大承受力要達(dá)到剛度要求[6]。

5 結(jié)論

綜上所述，微型旋翼式無人機(jī)電池支架結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化之后，飛機(jī)的續(xù)航能力大大提高了，采用拓?fù)鋬?yōu)化軟件Inspire,以結(jié)構(gòu)1階頻率最小值為約束，以最小質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，完成某四旋翼無人機(jī)翼臂與整體結(jié)構(gòu)的同步設(shè)計(jì)。電池支架的重量減少了1.19g，從原來的2.5g減少到了1.31g。續(xù)航的時間也大大提升，從原來的7.464min提升到了8.054min。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)存在較大的差別，整體結(jié)構(gòu)類似桁架結(jié)構(gòu)。無人機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的無人機(jī)結(jié)構(gòu)最大位移較小，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能滿足要求。對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)分析研究，得出的結(jié)果表現(xiàn)出：新建結(jié)構(gòu)的1階固定頻率比動力模塊最大工作頻率高25.0Hz,巧妙地解決了機(jī)器本身的共振問題，而且動力性能也完美滿足了標(biāo)準(zhǔn)。給四翼無人機(jī)的研發(fā)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了低成本下的設(shè)計(jì)方案，加快了無人機(jī)研發(fā)的進(jìn)程。