基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究.pdf
《基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究*朱贺1,黄辰雷2,杨利明2,李静菲3(1.中国民用航空飞行学院 民航监察员培训学院,四川 广汉618300;2.中国民用航空飞行学院 航空工程学院,四川 广汉618300;3.中国民用航空飞行学院 基建与机场处,四川 广汉681300)摘要:机架是四旋翼无人机的重要支撑结构,机架结构的强度和刚度直接影响飞行安全,机架结构的轻量化是实现无人机长续航、高效率的关键,机架结构的振动稳定性也是设计的重要考虑因素。基于响应面法和拓扑优化方法,对某型民用无人机机架结构进行了优化设计研究。首先建立数学模型,将优化问题转化为机架结构的质量和强度的双目标优化
2、问题,采用响应面法对机架结构参数进行重新设计,寻找最优参数组合,再通过拓扑优化方法,在保证结构强度的同时,对新机架进行减重设计,最后,经优化设计后的新机架减重56.2%,并且结构材料分布合理,结构位移量小且各阶模态均不会发生共振,满足设计要求。关键词:四旋翼无人机;机架;轻量化设计;响应面法;拓扑优化中图分类号:V279文献标识码:A文章编号:1001-2354(2023)S2-0130-06Optimization of Quadrotor UAV frame structure based onresponse surface method and Topology Optimizatio
3、nZHU He1,HUANG Chenlei2,YANG Liming2,LI Jingfei3(1.Civil Aviation Administration of China Acadamy,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan618300;2.Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 681300;3.Division of Infrastructure and Airport,Civil Aviatio
4、n Flight University of China,Guanghan 618300)Abstract:The strength and stiffness of the frame structure directly affects the flight safety,and the light weight of the framestructure is the key to realize the long endurance and high efficiency of the Quadrotor UAV.Based on the response surface method
5、and topology optimization method,the optimized design of a civil UAV frame structure is studied.Firstly,a mathematical model isestablished to transform the optimization problem into a dual-objective optimization problem of the mass and strength of the framestructure,and the parameters of the frame s
6、tructure are redesigned using the response surface method to find the optimal combina-tion of parameters.Finally,the optimized design of the new frame reduces the weight by 56.2%,and the structural material distri-bution is reasonable,the structural displacement is small and no resonance occurs in e
7、ach order of mode,which meets the designrequirements.Key words:Quadrotor UAV;frame;lightweight design;response surface methodology;Topology Optimization*收稿日期:2023-07-12;修订日期:2023-10-20基金项目:四川省科技厅省级科技计划重点项目(2019YFG0311);中国民用航空飞行学院面上科研项目(J2022-110)四旋翼无人机(Quadrotor UAV)机架作为其重要支撑结构,不仅需要具备足够的强度和刚度,还需要保证结
8、构轻量化、紧凑化和稳定性。在机架的结构设计中,强度直接影响飞行安全,刚度会影响飞行性能,如加速度和姿态控制等,从而影响无第 40 卷 增刊 22023 年 12 月Vol.40S2Dec.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGNDOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s2.0132023年12月人机的控制精度和响应速度。而机架结构的轻量化设计是无人机实现长时间、高效率飞行的关键因素。此外,机架结构的稳定性也是设计中需要考虑的因素之一,无人机的稳定性不仅受限于飞行控制系统,还受到结构的影响。综上所述,四旋翼无人机机架结构设计的重要性不言而喻。设计出轻量化、紧
9、凑化和稳定性强的机架结构,不仅可以提高无人机的飞行性能和安全性,还可以扩展其在民用、商业等多个领域的应用范围1。目前,国内外学者对无人机机架的结构设计进行了深入的研究。Zhang 等2采用拓扑优化方法对六旋翼无人机机架结构进行优化设计,旨在提高机架的强度和降低质量,该研究考虑了多种载荷和边界条件,并得到了较优的结构设计。但是,该研究仅考虑了机架结构的强度问题,而未考虑机架结构的稳定性等问题。Sun等3通过仿真分析和试验研究对无人机机架进行设计,该研究考虑和多种载荷和边界条件,从提高其强度和稳定性的角度,得到了较为优秀的结构设计,但未考虑机架结构的轻量化设计。刘文帅等4研究了尾座式无人机结构的参
10、数优化,通过响应面法确定了关键结构参数的优化范围,采用遗传算法进行了优化计算,达到了轻量化和提高刚度的设计目的,但未对设计出的机架结构进行稳定性分析。总而言之,当前关于无人机机架结构优化设计的研究,考虑因素还较为分散,尚未将机架的强度、轻量化和稳定性等进行体系化研究,而以上因素均会影响机架的性能和实际应用。文中拟将拓扑优化和响应面方法应用于四旋翼无人机的结构设计,以高强度和轻量化为优化目标。通过采用响应面优化算法求解最优结构参数,并对无人机进行结构拓扑优化和模态分析,最终得到优化设计目标,为无人机机架的优化设计提出一个较为完善的设计方法。1模型的建立与材料选择1.1四旋翼无人机的三维模型设计文
11、中采用UG对无人机机架进行了建模,采用了X形对称构型,飞控安装在中央的120 mm120 mm80 mm盒子内,盒子每面延伸出一个340 mm的旋臂,4个旋臂之间相隔90,每个旋臂厚度为2.5 mm,控制旋翼的电机安装在4个旋臂的端部,如图1所示,每个电机盒子的直径为30 mm,厚度为5 mm。在建模过程中需要注意各个参数之间的联动,不能将各个参数单独设置,否则在进行敏感性分析时会因为模型参数之间的不匹配而出现错误。机架翼展长度、结构厚度、旋翼前端的高度、长度和倾斜角度被作为初始输出参数,以供之后的敏感性分析使用。由于旋臂端部用于安装螺旋桨及其电机,且对整体的影响较小,因此在响应面优化时不将其
12、纳入计算范围,但在进行静力学分析时仍需考虑其影响。1.2机架的材料选择所使用的无人机机架采用碳纤维材料制造,该材料以其高温耐性在化纤中处于领先地位。其制造材料包括晴纶和粘胶纤维,经过高温氧化和碳化后制成,是制造高技术航空航天器材的优秀材料5。该机架的总质量为0.39 kg。2有限元建模2.1有限元网格划分在ANSYS Workbench中,网格通常分为四面体网格和六面体网格两种类型。每种网格类型都有1阶单元(Linear)和2阶单元(Quadratic)两种不同形式。以下以六面体网格为例,图2和图3分别展示了1阶单元和2阶单元的形式。为了提高计算精度,文中采用了具有更高阶的六面体网格2阶单元,
13、相比1阶单元,2阶单元增加了10个节点、2个面和6条边。虽然这会增加计算时间,但可有效提高计算结果精度。为了便于网格划分和后续分析,将模型分成14个部分,其中每个旋臂拆分成两份,旋翼安装盒子每个拆分成4份,飞控安装盒子的盒底和盒壁各拆分成1份。对模型进行多区域划分,限制最小尺寸为5,使用2阶单元划分,最终划分成57 887个节点和7 808个单元进行分析。具体分割方案如图4所示,最终网格如图5所示。图2六面体网格的1阶单元图3六面体网格的2阶单元图1无人机机架三维模型朱贺,等:基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究-131机 械 设 计第40卷增刊22.2外载荷与约束条件2.2.
14、1外载荷及其大小根据四旋翼无人机在实际飞行时的受力情况,设定了两种计算工况:工况1为无人机处于悬停状态;工况2为无人机处于平移状态。在工况1下,由于无人机处于悬停状态,所以其受力平衡,无人机的升力等于重力,即:L=G(1)式中:L无人机的升力;G无人机的重力。在工况2下,无人机产生的力矩可通过下式计算:Mx=(L4-L2)d(2)My=(L3-L1)d(3)式中:L1L44个旋翼产生的升力;d旋翼的间距;Mx无人机绕x轴力矩;My无人机绕y轴力矩。2.2.2约束条件无人机在飞行过程中处于静力不平衡状态,因此进行静力学分析时,可能出现约束条件不足的情况。为了模拟静力平衡状态,文中使用了惯性释放法
15、(Inertia Relief)。该方法通过对结构的6个自由度(3个滑动,3个滚动)进行约束,并施加惯性载荷,以达到结构受力平衡的目的6。3静力学分析3.1工况1静力学分析根据四旋翼无人机在工况1下的受力情况,需要在无人机中心施加一个重力,同时在每个旋臂的端部施加一个大小相等、方向竖直向上的拉力,以实现结构的静力平衡。由于4个电机产生的扭矩对结构的影响较小,因此,只需考虑螺旋桨产生的拉力。对机架进行有限元计算,图6为机架的总位移云图,图7为机架的结构应力云图。根据计算结果可知,在工况1下,机架的最大位移量为0.005 6 mm,最大应力为0.214 MPa。3.2工况2静力学分析根据四旋翼无人
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 响应 拓扑 优化 四旋翼 无人机 机架 结构 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。