基于Inspire 的四旋翼無人機(jī)部件輕量化設(shè)計(jì)方法

高銘言，曹少華，郭江龍，陳 楚，韓銘哲

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

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

周冉等[4-6]將輕量化技術(shù)運(yùn)用到成型機(jī)縱封部支架、活塞頭部件、拖拉機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)等機(jī)械上。而采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以將零件的尺寸、形狀優(yōu)化，以達(dá)到零件輕量化的目的[7]。晏一凡等[8]運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)牽引車平衡軸支架等進(jìn)行輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，采用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化能最大限度地提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)效率，其在機(jī)械工業(yè)行業(yè)被廣泛應(yīng)用。王衛(wèi)東等[9]將增材制造技術(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，生產(chǎn)制造了復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。Altair Inspire 是一個(gè)仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，可適用于產(chǎn)品從概念到制造的整個(gè)開發(fā)周期。在設(shè)計(jì)過程中，Inspire 平臺(tái)能夠輔助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出可供制造的設(shè)計(jì)，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(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，總結(jié)出拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)軟件在未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)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(qiáng)度分析

使用Inspire 軟件進(jìn)行初始強(qiáng)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(yīng)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(nèi)側(cè)面，大小均為20 N，方向?yàn)閆軸正方向。同時(shí)底板部位設(shè)置一個(gè)連接器，坐標(biāo)為底板中心點(diǎn)正下方15 mm，大小為60 N，方向?yàn)閆軸負(fù)方向，并且在連接器上施加質(zhì)量點(diǎn)0.1 kg，具體如圖1 所示。基于上述參數(shù)，設(shè)置單元尺寸為2 mm 進(jìn)行計(jì)算，求得最大米塞斯等效應(yīng)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(shè)置

2 拓?fù)鋬?yōu)化

在對(duì)模型進(jìn)行初始強(qiáng)度分析后，使用Inspire 軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化并進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，具體方法如下：①指定無人機(jī)機(jī)身部件主體部分為設(shè)計(jì)空間，無人機(jī)底板和4 個(gè)旋翼為非設(shè)計(jì)空間，如圖2 所示；②優(yōu)化形狀控制設(shè)定，對(duì)設(shè)計(jì)空間設(shè)定關(guān)于XY平面輻射狀的形狀控制；③優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)質(zhì)量為20%，厚度約束為3 mm；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)，具體如圖3 所示。

圖2 設(shè)計(jì)空間的選擇

圖3 優(yōu)化結(jié)果

3 自動(dòng)幾何重構(gòu)初試效果探索

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

在對(duì)無人機(jī)模型進(jìn)行初始強(qiáng)度分析后，對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)包絡(luò)擬合重構(gòu)。完成重構(gòu)后，分析模型發(fā)現(xiàn)，較于手動(dòng)重構(gòu)自動(dòng)重構(gòu)各方面參數(shù)顯然還有很大的優(yōu)化提升空間。

4 手動(dòng)幾何重構(gòu)

4.1 模型擬合

在探究出自動(dòng)幾何重構(gòu)的劣勢(shì)后，研究出了手動(dòng)幾何重構(gòu)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(shè)計(jì)空間，再使用手動(dòng)包覆來對(duì)模型進(jìn)行最初的重構(gòu)，同時(shí)使用“+/－”和“刪除”來微調(diào)，并且也可以使用框選控制點(diǎn)，進(jìn)行推拉來微調(diào)邊界，避免設(shè)計(jì)實(shí)體的控制點(diǎn)位置不連貫造成曲面扭曲從而導(dǎo)致局部面生成錯(cuò)誤。②完成一塊模型的包覆后，使用“鏡像”命令對(duì)其他部位進(jìn)行拷貝生成，可以最大程度避免各位置分別包覆所導(dǎo)致力學(xué)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(jìn)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(diǎn)是可以使零件表面光滑平整，更貼合優(yōu)化后的設(shè)計(jì)空間，有利于后期的3D 打印，但缺點(diǎn)是有可能會(huì)超出設(shè)計(jì)空間。④完成步驟③后，將模型先復(fù)制一份，然后將復(fù)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(duì)布爾合并后的優(yōu)化模型連接處進(jìn)行倒圓角處理，可以減小優(yōu)化完成模型的米塞斯應(yīng)力，以及提升模型的安全系數(shù)。及時(shí)用擬合包覆工具對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行幾何重構(gòu)；通過拖拽控制點(diǎn)的方式調(diào)整重構(gòu)的幾何模型，使其與非設(shè)計(jì)空間相交；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；使用銳化工具對(duì)手動(dòng)包覆零件的棱角進(jìn)行銳化，調(diào)整其圓滑程度；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，獲得最終的輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果。

將手動(dòng)包覆和自動(dòng)包覆后得到的模型（如圖4 和如圖5 所示）進(jìn)行各方面參數(shù)對(duì)比，結(jié)果表明，手動(dòng)包覆效果更為理想。

圖4 手動(dòng)包覆結(jié)果

圖5 自動(dòng)包覆結(jié)果

4.2 強(qiáng)度校核

4.2.1 分析參數(shù)設(shè)置

設(shè)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(jié)果

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

圖7 分析結(jié)果

圖8 最終模型

5 結(jié)語(yǔ)

無人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)在優(yōu)化前質(zhì)量為166.16 g（材料ABS），通過輕量化設(shè)計(jì)之后的質(zhì)量為32.52 g。

對(duì)無人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了80.59%的減重，四旋翼無人機(jī)部件的最大米塞斯等效應(yīng)力為7.923 MPa，最小安全系數(shù)為5.7，強(qiáng)度不超過材料的屈服應(yīng)力，滿足實(shí)際的強(qiáng)度需求。在輕量化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)需求。

使用輕量化可以最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)模型材料的再分布，可以最大化對(duì)應(yīng)材料的材料屬性。而輕量化設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容就是擬合，擬合的效果決定了模型的質(zhì)量、性能。手動(dòng)重構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一種探索，對(duì)于零件的優(yōu)化永遠(yuǎn)沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，沒有最好，只有更好。在手動(dòng)重構(gòu)中也許會(huì)嘗試上百種的參數(shù)組合方式，但是這也是輕量化設(shè)計(jì)的魅力所在。同樣的性能，材料節(jié)省更多，更符合輕量化設(shè)計(jì)的初衷——“輕”，這也是其具有顯著推廣意義的重要原因。