轻量化技术，现代材料应用：旋翼无人机机架生产流程的自动化
文 |古轩说史
编辑 | 古轩说史
<hr>在无人机领域，旋翼无人机（UAV）在军事和民用应用中具有广泛的应用，可是目前无人机的设计过程仍然存在着一些挑战，如设计周期漫长、制造成本高昂以及维护难度大等问题。
为了应对这些问题，研究人员提出了一种创新的无人机设计方法，旨在获得轻巧且易于维护的无人机框架，该方法涵盖了从可配置设计到详细设计的全过程，并通过一系列步骤来达到优化设计的目标。
01
可配置设计
设计过程以可配置设计为出发点，确定了无人机框架的初始设计范围，采用基于惯性释放理论的拓扑优化方法，将初始的几何模型转化为实际的无人机框架结构，这一步骤不仅确保了结构的坚固性，还能够满足轻量化的要求。
在设计的过程中，还特别考虑了工艺设计，以提高无人机机架的可制造性和可维护性，这种综合考虑工艺因素的方法，有助于确保最终设计不仅在理论上是优越的，而且在实际制造和维护中也是可行的。
为了验证无人机机架的耐用性和抗撞性能，进行了动态跌落试验，通过这一步骤，研究人员能够对设计的无人机框架结构进行实际的物理测试，从而确保其在现实环境中的表现。
在机架的可配置设计阶段，首要任务是确定一个符合要求的初始数据，包括最大起飞重量、最大推重比以及有效载荷等关键参数。
这些初始数据将为后续的设计工作提供基础，通过分析每个螺旋桨所需的最大推力，可以有效地确定无人机的几何尺寸。
在这一阶段，无刷电机和螺旋桨的选择显得尤为重要，因为它们与无人机的推力生成和传递密切相关。
事实上，无人机的阻力主要是由于螺旋桨的使用产生的，而这与无刷电机的速度常数（KV）有关。
在设计过程中，应考虑电机和螺旋桨的规格，通常情况下较大尺寸的螺旋桨应该搭配较小KV值的电机，以增强多旋翼无人机的推力。
多旋翼无人机根据其旋翼数量通常分为四旋翼、六旋翼和八旋翼无人机等不同类型，八旋翼无人机的运载能力通常高于四旋翼无人机。
多旋翼无人机的机架布局一般可分为“+”型和“X”型两种，特别是，“X”型机架由于其良好的可控性，在农业等领域得到广泛应用，基于可配置设计，可以获得无人机机架的尺寸参数，从而确立初始设计范围。
可配置设计阶段的主要目标是确定一系列关键参数，以便为后续的详细设计提供准确的基础，这包括从最大起飞重量到推重比，以及螺旋桨和电机的规格选择。
不同类型的多旋翼无人机也需要根据实际需求进行机架布局的选择，通过这一阶段的努力，设计团队能够在后续工作中更好地进行无人机的设计与优化。
02
拓扑优化设计
在完成无人机机架的可配置设计后，下一步是采用基于惯性释放理论的拓扑优化方法，以获得机架的优化材料分布，相对于传统的设计方法，拓扑优化方法可以显著缩短设计周期，优化的目标是在给定可用体积的约束下，最小化结构的合规性。
在进行高分辨率的拓扑优化时，通常可以用静态分析来代替动态分析，在无约束无人机的静态分析中，必须考虑惯性释放的影响，惯性释放理论的核心思想是通过从给定的载荷矢量中减去计算得到的刚体惯性，以实现力的平衡。
虽然惯性释放方法可以解决力平衡问题，但在结构中仍然会出现刚体运动，这可能导致矩阵奇异性的出现，进而导致结构刚度无法求解。
为了解决这个问题，必须引入支撑点约束，类似于单点约束的概念，以消除矩阵的奇异性，这些支撑点上不会产生约束力，因此可以忽略约束对结构局部变形和力传递路径的影响。
针对无人机机架的优化问题，设计变量可以选择单元的相对密度，在优化的过程中，目标是使单元的相对密度接近0或1，尽管优化的结果可能包含许多中间密度元素，但可以通过滤波方法将其减少，从而获得更加合适的结果。
在针对无人机机架的优化问题中，设计变量的关键是单元的相对密度，在进行优化过程时，主要目标是调整这些单元的相对密度，使其接近于0或1，从而实现更优的结构性能，实际的优化结果可能会包含一定数量的中间密度元素，这可以通过滤波方法来减少，为了避免奇点问题，选择了一个非零向量作为最小相对密度的向量（xmin）。
在设计域的离散化中，元素的数量用氮（N）来表示，惩罚功率（通常记作p）和规定的体积分数（记作f）是需要在优化问题中考虑的参数，V(x)代表材料体积，V0代表设计域的体积。
以八旋翼植保无人机的机架为例，来说明拓扑优化的过程，铝合金在轻量化设计方面具有较大的潜力，因此在无人机框架的材料选择上，我们选择了铝合金作为材料。
初始结构和其他部件的参数是基于DJI MG-1植保无人机的参考值确定的，该无人机采用了大疆创新最先进的A3飞控，专门为农业环境量身定制的解决方案。
飞行电池和喷嘴的型号分别为MG-12000和XR11001，植保无人机的基本参数在此基础上进行了设定，根据这些参数，计算得到的最小轴距为1468mm。
无人机框架的初始设计域包括质量为5846 kg的设计空间，该空间经过了98,745个六面体或五面体单元的网格划分，每个单元的平均尺寸为15毫米，值得指出的是，这个设计域并不包括电机、螺旋桨、药箱和喷嘴等部件。
在该设计中，每个螺旋桨能够提供约49.98 N的垂直向上的推力，无人机机架的有效载荷为18 kg，其中包括电池、雷达等部件。
通过第一次拓扑优化，取得了显著的优化效果，但仍然存在材料冗余的问题，必然需要进一步的优化以获得新的优化方案，使用CAD软件手动重建了这些优化结果，以再现拓扑优化的建议形状。
将拓扑优化的结果转化为可制造的产品，同时保持其优化性能，对传统的制造技术来说是具有挑战性的，对于拓扑优化的结果，研究人员希望能够用具有高惯性质量比的薄壁横截面来替代实心横截面的桁架结构。
虽然由于各点的不同厚度，优化结果在制造时存在一些困难，但这些拓扑优化的结果在进一步的工艺设计中仍然具有重要价值。
在拓扑优化之后，需要对优化结果进行尺寸调整，以获得最佳的结构厚度，从而适应无人机机架的制造过程，这一系列的设计和优化步骤将有助于获得更轻、更高性能且易于制造的无人机机架结构。
03
流程设计
薄壁结构作为一种具有较高刚性质量比和成熟制造工艺的轻量化抗冲击结构，在工程领域得到广泛应用，在制造无人机框架时，为了降低制造成本和复杂性，常常需要在设计的早期阶段将框架进行分段。
经过优化后的无人机机架可被划分为8个臂和1个中心轮毂，主要由薄壁组件构成，冲压工艺以其高效的制造速度和材料利用率等优势，广泛应用于薄壁零部件的制造，从降低制造成本的角度来看，冲压工艺非常适用于无人机框架的制造。
这些八个臂被均匀分布在无人机框架上，而无人机框架和中心轮毂的直径分别为1468毫米和628毫米，电机安装平台的直径为36毫米，每个臂都由电机安装平台、上部面板、下部面板以及连接上下部面板的肋条组成。
肋条和中心轮毂的设计也采用了简单的薄壁结构，所有的构件都被设计成了薄壁结构，以提高无人机机架的可维护性。
在设计中，还需要对几何模型的尺寸和形状进行调整，以获得轻巧的薄壁框架结构，同时保持拓扑优化结果的刚度并提高可制造性，为避免过多的连接器，相邻的两个臂的上部和下部面板被设计成了一体式的结构。
并且小孔也被删除，以确保每个孔的最小尺寸不小于10毫米，肋材和面板的厚度分别为3毫米和2毫米。
对于上部和下部面板、电机安装平台以及中心轮毂，它们的厚度都是2毫米，而连接上下部面板的肋条的厚度为3毫米，整个机架的质量为2.332千克，这一系列的设计和优化步骤有助于创造出既轻量化又具备稳健性的无人机机架结构。
当前，连接工艺在制造无人机机架中发挥着重要作用，常见的连接方式包括焊接、铆接以及螺栓连接等，与焊接和铆接相比，螺栓连接在大体积无人机机架上具备更多优势，如方便拆卸、便于维护和运输，并且连接件材料的选择更加灵活。
在无人机框架的构建过程中，螺栓连接被选择作为连接部件的主要方式，螺栓连接通常分为三个等级：A级、B级和C级（粗螺栓），从实际应用和强度角度考虑，B级M3内六角螺栓被认为能够满足无人机机架的要求。
在不同部件之间存在着八种连接方式，这些连接方式被设计成了对称的结构，以确保应力分布更加均匀。
另外，从制造的角度来看，螺栓与连接件边缘之间的距离也需要合理安排，参考国家结构设计规范，M3内六角螺栓孔的直径d0被设定为3.2毫米，螺栓距连接件边缘的距离不得小于1.5倍的d0，这些精心设计的连接方式确保了无人机机架的强度和稳定性。
04
耐撞性验证
为了评估无人机的耐撞性能，研究团队进行了跌落试验并采用有限元分析进行验证，在满载植保无人机正常作业状态下，其最大水平运行速度为4 m/s，最大飞行高度为3 m。
为了模拟最高飞行高度下的坠落情况，研究采用了商用有限元软件LS-DYNA，起落架由直径为20毫米的铝合金圆杆构成，在仿真中，土壤被简化为一个弹塑性块。
仿真过程中，框架下落的过程被省略，而是直接给定了碰撞瞬间的速度，具体而言，水平方向X的速度为4000 mm/s，垂直Z负方向的速度为7668 mm/s。
最终的几何模型包括约10万个单元，包括壳单元和实体单元，这些单元用于有限元计算中的能量曲线，通过模拟，大量动能被转化为内能，根据标准，沙漏能量应占总能量的5%以内，以确保模拟结果的可靠性，模拟结果显示，能量转化过程是稳定的，沙漏能量小于5%。
从模拟中可以观察到无人机框架的变形相对较小，在框架结构中，最大应力出现在中心轮毂1处，当应力达到屈服极限时，会发生塑性变形。
虽然中心轮毂1在动态跌落试验中出现失效，但这不影响后续的更换和维修，这与最初的设计要求是相符的，这些结果表明无人机的结构在跌落试验中展现出良好的耐撞性能。
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