微型旋翼式無人機電池支架結構拓撲優(yōu)化設計方法探析

于海生，孫昕，甘子東

（尚良仲毅（沈陽）高新科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著控制技術和傳感技術的快速發(fā)展，世界上已經有很多國家展開了無人機的研究和制造，其中微型旋翼式無人機在很多領域都有廣泛的應用，教育科研、航拍、農業(yè)、軍事、警用安全領域等都有應用。無人機的構造也是比較簡單的，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的功能，被稱作空中機器人，并且比有人駕駛的飛行器造價更低，降低了有人駕駛的風險，適用于各種復雜的環(huán)境。其中微型旋翼式無人機電池支架結構是支撐無人機續(xù)航的重要組成部分，將電池支架結構進行優(yōu)化也是提升無人機續(xù)航能力的目標。

1 原電池支架有限元分析

無人機在飛行的過程中，由于受到震動和過載等影響，為了保證飛行器內部電池的正常安全使用，要對支架的結構進行強度分析和合理的設計[1]。微型旋翼式無人機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，水平安裝在無人機底部電池支架中的電池結構為鋰電池，其電池支架的承受力為0.0728MPa，電池支架的材料ABS屈服強度為24.5MPa，電池支架足夠承受強度要求。

圖1 電池安裝位置及三維尺寸圖

2 拓撲優(yōu)化理論基礎

連續(xù)拓撲優(yōu)化和離散結構拓撲優(yōu)化即拓撲優(yōu)化領域中的兩個關鍵，中心思想是在給定的設計范圍內將最優(yōu)拓撲問題轉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)拓撲優(yōu)化的本質是分解、離散，離散結構拓撲優(yōu)化是由梁單元建立基礎，要形成最終的拓撲方案則需要根據(jù)算法對空間單元進行排除最終保留的則為最優(yōu)拓撲方案。一般無人機拓撲優(yōu)化的流程，首先是有限元分析，其次僅有模型的優(yōu)化，之后運行結構拓撲優(yōu)化計算，計算目標函數(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)化的結果輸出，顯示結構中最優(yōu)的拓撲形式，從而達到優(yōu)化的目的。在進行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，還要知道打印機只能識別特定類型的數(shù)據(jù)。對于結構的優(yōu)化來說，應當實現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的設計來說，以更少的材料、更低的成本實現(xiàn)結構的最佳功能，將傳統(tǒng)的設計替換為系統(tǒng)的、定向的設計。尺寸、形狀和拓撲分別為結構的三個形式，則與之對應的結構優(yōu)化也應分為三種優(yōu)化：（1）尺寸優(yōu)化：對無人機的結構如截面尺寸，關鍵部件的厚度分布；（2）形狀優(yōu)化：對無人機的設計圖進行桿系結構優(yōu)化；（3）拓撲優(yōu)化：對無人機桿系結構的點對點、開孔數(shù)和位置結構等信息進行優(yōu)化。影響產品的性能主要還是要選擇正確的結構拓撲構型，所以對于拓撲優(yōu)化來說，它的影響價值遠大于另外兩種的優(yōu)化方式，而拓撲優(yōu)化的中心思想還是在有限的空間內如何將最優(yōu)的材料進行分別，其包含了兩種優(yōu)化連續(xù)拓撲優(yōu)化和離散結構拓撲優(yōu)化

圖2 微型無人機

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

3 電池支架結構優(yōu)化拓撲設計

對于已經確定好的結構類型和形式、工作狀態(tài)和各種的條件（剛度、強度、穩(wěn)定性等等條件）進行優(yōu)化并要達到設計方案中的材料分布合理這一目標，就需要對提出的數(shù)學模型進行不斷地反復優(yōu)化求解并對其結構進行分析，根據(jù)優(yōu)化變量和優(yōu)化層次的不同,優(yōu)化過程可以分為拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。分別對應結構優(yōu)化中的概念設計?；驹O計和詳細設計階段一其中拓撲優(yōu)化位于整個優(yōu)化過程的起始階段,目標是尋求結構中力的最佳傳遞路線或材料的最佳分布，其優(yōu)化結果的拓撲形式決定了后續(xù)的形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。因而，在優(yōu)化設計階段獲得結構的初始最優(yōu)拓撲結構對于最終的優(yōu)化結果尤為重要[4]。

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

4 拓撲優(yōu)化后電池支架驗證

對設計好的微型旋翼式無人機電池支架結構拓撲優(yōu)化后的支架進行驗證，最后的結果是優(yōu)化后的支架最大承受力要達到剛度要求[6]。

5 結論

綜上所述，微型旋翼式無人機電池支架結構經過優(yōu)化之后，飛機的續(xù)航能力大大提高了，采用拓撲優(yōu)化軟件Inspire,以結構1階頻率最小值為約束，以最小質量為優(yōu)化目標，完成某四旋翼無人機翼臂與整體結構的同步設計。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。該結構與傳統(tǒng)的四旋翼無人機結構存在較大的差別，整體結構類似桁架結構。無人機結構的靜力學分析結果表明：設計的無人機結構最大位移較小，最大應力值遠小于材料的許用應力值，結構的靜力學性能滿足要求。對新結構進行科學分析研究，得出的結果表現(xiàn)出：新建結構的1階固定頻率比動力模塊最大工作頻率高25.0Hz,巧妙地解決了機器本身的共振問題，而且動力性能也完美滿足了標準。給四翼無人機的研發(fā)提供了一種新的設計思路，實現(xiàn)了低成本下的設計方案，加快了無人機研發(fā)的進程。