探索技術應用場景 小型飛行器設計研究

李錦山 趙健瑞 楊偉群

引言

拓撲優(yōu)化是根據(jù)給定載荷工況、約束條件和性能指標，優(yōu)化初始構型材料分布的設計方法?？梢栽诋a品概念設計階段確定產品最優(yōu)材料分布。[1] 隨著拓撲優(yōu)化算法的成熟，商業(yè)化拓撲優(yōu)化軟件逐漸興起，該設計方法已被成功應用與助推汽車、航空航天、材料等多個領域。[2， 3]

本項目將拓撲優(yōu)化和增材制造兩種技術結合[4]，研究一體化設計制造場景下，小型飛行器的新型結構設計和增材工藝，從結構—材料—工藝三方面綜合建模來研究各種不同拓撲結構形式下的結構力學性能和飛行性能，探索新型飛行器的設計與制作技術。使用低密度發(fā)泡PLA，應用FDM和FFF增材工藝，實現(xiàn)零件打印。

小型飛行器飛行參數(shù)獲取

翼型數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)機翼三維模型獲取數(shù)據(jù)點，將翼型數(shù)據(jù)導入XFLR5軟件，進行分析。

設置輸出結果，開始分析機翼不同迎角下的相關氣動參數(shù)的變化曲線，得到升力系數(shù)-阻力系數(shù)變化曲線（如圖1所示）、翼型升力系數(shù)隨迎角變化曲線（如圖2所示）。翼型升力系數(shù)隨迎角變化曲線（圖2曲線）用于升力分析及迎角選擇，進一步分析俯仰力矩，曲線有負斜率，翼型具有俯仰穩(wěn)定性。

飛機結構及總體參數(shù)[5]

本文中的航模，采用鴨式布局。三角翼與機身融合保持了翼面的完整，有利于晶格設計。機身與垂尾采用抽插式設計，減小運輸空間。

其幾何尺寸為翼展600mm，機長530mm，機身長240mm，機身寬70mm。

氣動分析

XFLR5是基于升力線理論，通過渦流晶格法，用于低雷諾數(shù)運行的翼型、整機分析工具。

為保證仿真測試的準確，在軟件中建立氣動模型與實際飛機等比例，設定分析空速同預期性能以確保運動相似，分析選取不同雷諾數(shù)范圍以覆蓋動力相似的范圍。

在軟件中依據(jù)模型設置幾何參數(shù)，分析10m/ s空速下的整機氣動參數(shù)，所得的分析結果如圖3所示。

由圖3得升阻比、升力系數(shù)均較大的迎角，取值約為6°，可作為安裝角與飛行角度調整的參考。起飛選取10°～15°大角度以便升力充足。

拓撲優(yōu)化

該部分旨在針對載荷工況進行輕量化。依據(jù)受力與制造分塊，相應拓撲優(yōu)化分為兩大部分：

（1）機翼及尾翼的格柵化處理；

（2）機身部分的格柵化填充。

機翼作為主要的受力部件，設定勻速飛行時的升阻力為載荷，基于此進行拓撲優(yōu)化計算。機身在保證支撐強度的前提下，盡可能多地進行輕量化。

飛機各段拓撲優(yōu)化

機翼格柵化處理

機翼部分通過多參數(shù)計算輕量化結構[6]，經(jīng)過分析，得到飛機平飛時的機翼載荷。即作用于機翼下表面的壓強P1 =2.25×10-5MPa，作用于機翼前緣的風阻壓強P2 =1.5×10-6MPa。

在該載荷工況下，以最小質量、1.2安全系數(shù)、格柵填充率100%為設計目標，改變格柵的長度L、最大直徑dmax、最小直徑dmin3個參數(shù)。部分優(yōu)化模型如圖4，經(jīng)過后續(xù)分析獲得對比評估數(shù)據(jù)如圖5。

模型選擇材料類型為尼龍材料，密度取值為1 . 1 4 g / c m3。設計前，機翼總質量M總 = m1+m2+m3 = 509.7g。將優(yōu)化重點的質量數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖6所示。目標長度較小時，取得較低的優(yōu)化質量。

綜合考慮受載變形情況、應力強度分布情況、優(yōu)化模型完整性、制造復雜度等因素（壓力云圖如圖7所示），初步選用第五組格柵優(yōu)化模型，即L=12mm，dma=1.2mm，dmin =2.4mm，飛機機翼部分減重至原質量的30.06%。

尾翼格柵化處理

尾翼部分設定載荷工況為：作用于尾翼前端的運動阻力。

尾翼優(yōu)化進行了五組不同參數(shù)的格柵化處理，優(yōu)化后的模型以及其性能相關參數(shù)如圖8所示。尾翼優(yōu)化前質量m初=35.384g，提取出優(yōu)化后模型的質量有關數(shù)據(jù)與優(yōu)化前模型進行對比，并繪制成表格如圖9所示。根據(jù)表中圖像變化看出，隨著格柵目標長度的增加，優(yōu)化后模型質量與優(yōu)化后所占質量百分比隨之增加。

由圖中數(shù)據(jù)可以看出，第三組優(yōu)化參數(shù)，即目標長度8mm，最小直徑0.8mm，最大直徑1.6mm的設定下，優(yōu)化所得模型能夠在保證使用強度盡可能高和加工難度盡可能低的情況下，總質量較多地減少。尾翼優(yōu)化前后的模型如圖10所示。

機身以及襟翼的格柵化填充

該部分主要受連接部位的約束與作用力，不易根據(jù)實際情況量化，采用參數(shù)化的格柵填充。主要依據(jù)優(yōu)化后模型完整性與輕量化結果，選定合適的格柵尺寸與類型[體心立方（BCC）、簡單立方（SC）、簡單立方—體心立方（SC-BCC）、面心立方（FCC）、八角桁架（OT）、八面體桁架（TT）、K桁架（KT）、金剛石立方（DC）]。

考慮結構、工藝性、經(jīng)濟性后，優(yōu)化部分零件結果如下。

機頭部分選定單元格尺寸3 m m、梁半徑0.45mm，如圖11。該部分優(yōu)化前總質量M1=827.9g，優(yōu)化后總質量M2=252.4g，減重為優(yōu)化前質量的30.49%。

不同類型晶格結構下的襟翼模型經(jīng)過強度分析計算，最大位移量以及相對于體心立方結構（BCC）最大應變比值，相關數(shù)據(jù)如圖13所示。根據(jù)晶格填充的完整性以及最大位移量，金剛石立方（DC）為強度最佳結構?？紤]制造的工藝性以及實際強度環(huán)境，體心立方（BCC）為最適結構類型。

整體優(yōu)化結果及氣動分析

飛機最終優(yōu)化后的模型如圖14所示，優(yōu)化前總質量M0=1.8788kg，優(yōu)化后總質量為M=585.26g，質量減少68.84%。（注：以上計算均是基于尼龍材料，ρ=1.14g/cm3，與打印所用材料不同。）

飛機的整體設計優(yōu)化均是基于Inspire軟件平臺進行處理，所得到的輕量化設計后的模型符合輕量化設計要求的設計目標，并在強度設計上符合實際強度要求，同時設計也兼具航模飛機制造的可行性與經(jīng)濟性。

拓撲優(yōu)化設計后的飛機變化的參數(shù)導入XFLR5軟件，進行氣動分析處理。結合實際情況和必要理論估計，設置相應的飛行參數(shù)。

最終所得到的飛機設計模型，飛機飛行時的升力系數(shù)、阻力系數(shù)相關參數(shù)曲線如圖15所示。優(yōu)化前后飛機氣動數(shù)據(jù)對比如表1所示，在最適迎角6°的情況下，升力系數(shù)和升阻比均有提升，由于機身、機翼質量減輕，整機重心前移，穩(wěn)定裕度取得83%的提升，飛機穩(wěn)定性有所提高。

增材制造

主要使用LW-PLA線材，結合FFF與FDM技術，實現(xiàn)復雜格柵化模型與部分殼體的3D打印。

主要材料

PolyLite？LW-PLA，作為零件原材料，參數(shù)如表2。其發(fā)泡率隨溫度變化，在打印溫度240℃時ρ=0.69g/cm3，可據(jù)此估算其余參數(shù)并用于強度校核；水溶性PVA，作為復雜晶格的支撐材料，便于去除。

零件制造

設備選用上海遠鑄公司開發(fā)的FUNMAT PRO 610 HT工業(yè)打印機，尺寸、溫度可以滿足高性能熱塑材料的一體化機身和機翼打印。包含兩個噴嘴，可以實現(xiàn)支撐與主體兩種材料的同時打印。

參考已有研究結果[8-10]，經(jīng)過實際打印參數(shù)調試，最終確定相關打印參數(shù)如表3所示，該參數(shù)下的打印件表面天然啞光、強度符合實際應用場景要求。

對于拓撲優(yōu)化后的格柵化零件，其結構上存在多處懸臂格柵以及復雜晶體結構。如果直接進行3D打印制造，將會產生大量拉絲，增加后續(xù)零件的處理工作量。我們采用水溶性支撐結構，降低了模型損壞的風險，考慮PLA材料的熱變形溫度，取約45 ℃水溶液實現(xiàn)去除。[7] 打印結果及PVA材料的去除后的零件如圖16、17所示。

飛行器整體分析與試飛

飛行器整體分析

經(jīng)過拓撲優(yōu)化的輕量化設計以及低密度材料的增材制造，小型航模飛行器機架減重至163.9g，實現(xiàn)了飛機輕量化的目標。具體零件質量如表4所示。

裝配必要的控制裝置、動力裝置、連接件等，最終實際裝配的飛行器質量為424.1g。裝配后的整機如圖18所示。

飛行器試飛

飛行器在室內吊掛進行飛行姿態(tài)調試，調試過程中，飛行器有明顯的上升姿態(tài)，動力系統(tǒng)能夠為飛機提供必要的升力。

飛機經(jīng)過室外試飛，能夠滿足航模飛機優(yōu)化前的飛行要求，在氣動分析中的10m/s設定速度下能夠實現(xiàn)飛行目標。飛行器經(jīng)過輕量化處理后，飛機整體強度基本滿足實際要求的同時，飛行性能有所提高，實現(xiàn)了飛行器的輕量化處理，完成了該項研究既定的研究目的與設計目標。

總結與展望

本項目將現(xiàn)有小型飛行器進行輕量化設計，結合拓撲優(yōu)化和增材制造兩項技術，實現(xiàn)小型飛行器的新型結構設計和增材工藝應用。在滿足基本強度要求的基礎上，輕量化設計后的飛行器重量更輕、抗摔性更好、模型可修復性更強、飛行性能更好。

目前，航模市場逐漸由專業(yè)化向普及化方向發(fā)展，為了適應技術化、年輕化、理想化的市場要求，從結構、材料、工藝三方面出發(fā)，實現(xiàn)小型航模飛行器的低成本化、DIY化、輕量化。

本項目研究完成了對于小型航模飛行器與新型技術的結合，實現(xiàn)了拓撲優(yōu)化設計、復合增材制造技術兩項技術在小型飛行器制造上的應用初步探索，拓寬了低成本、輕制造、高強度的航模飛機市場，探索了工業(yè)軟件關鍵技術的應用場景。

未來，航模市場依然保持著良好的增長態(tài)勢，研究團隊也將繼續(xù)致力于新型航模的設計制造技術的進一步提升，立足市場需求，設計生產出更適應市場發(fā)展的產品。

參考文獻

[1] 熊婷， 錢波， 胡珍濤， 等. 基于連續(xù)纖維增材制造工藝的四旋翼無人機拓撲優(yōu)化[J]. 工程塑料應用， 2023，51（10）： 76-84.

[2] 胡三寶. 多學科拓撲優(yōu)化方法研究[D]. 華中科技大學， 2011.

[3] 王磊， 盧秉恒. 我國增材制造技術與產業(yè)發(fā)展研究[J]. 中國工程科學， 2022，24（04）： 202-211.

[4] 劉書田， 李取浩， 陳文炯， 等. 拓撲優(yōu)化與增材制造結合：一種設計與制造一體化方法[J]. 航空制造技術， 2017（10）： 26-31.

[5] 沈海軍， 等. 微小飛機設計與制作漸進教程[M].北京航空航天大學出版社， 2019.

[6] 羅勇， 杜平， 朱麗君， 等. 基于Inspire軟件的拓撲優(yōu)化設計案例分析[J]. 制造技術與機床， 2021（11）： 31-34.

[7] 鄒愛玲， 單忠德， 陳意偉， 等. 增材制造工藝參數(shù)對PLA/AF復合材料層間剪切強度影響[J]. 工程塑料應用， 2021，49（07）： 82-86.

[8] 張肖男， 單忠德， 范聰澤， 等. 增材制造用PLA/連續(xù)碳纖復合材料力學性能[J]. 工程塑料應用， 2019，47（08）： 91-95.

[9] 趙健， 劉效朋， 王澤武. 基于3D打印的PLA材料力學性能研究[J]. 塑料工業(yè)， 2020，48（07）： 139-143.

[10] 郭南辛， 王沖， 王強龍， 等. 柔性夾鉗的拓撲優(yōu)化設計及其3D打印制造[J]. 機械設計與研究， 2021，37（05）： 35-40.