3D打印技术驱动的四旋翼无人机结构拓扑优化

摘要

四旋翼无人机因具备垂直起降，自由悬停，体积小，用途多样且成本低等优点已经获得了广泛的应用。目前制约四旋翼无人机进一步发展的重要因素之一就是其续航时间较短，载重小。现阶段工业制造中普遍通过提升动力的方法来延长续航时间，而对于机架结构优化设计方面的研究较少。本文将结构拓扑优化设计和3D打印技术结合在一起，对四旋翼的机架部分进行拓扑优化，实现了四旋翼结构的优化减重设计，并采用数值分析的方法，对优化结构进行了强度、稳定性分析和固有模态分析。并通过增材技术完成优化后机架的制作，对实物进行了测试试验验证了其可行性。该研究为四旋翼的轻量化设计及延长续航时间提供了一种新的思路。

关键词：四旋翼无人机，拓扑优化，增材技术

一、绪论

（一）选题背景及研究意义

近年来，随着无人机技术的发展，特别是多旋翼无人机，在面向中小型飞行应用领域，多旋翼无人机相比固定翼和直升机具有很多优势，如尺寸小、结构简单、可靠性高、成本低、对复杂环境适应性较强等。小型多旋翼无人机发展迅速，广泛应用于航拍、森林防火、搜救等各个领域，具有广阔的应用前景。

图 1  小型多旋翼无人机典型应用场景

普通小型四旋翼飞行器的性能与有效载荷负载能力、续航时间和飞行控制系统紧密相关，为了提高飞行器的飞行性能，可以从设计更先进的飞行控制系统，以及对无人机的结构进行减重优化两方面进行。

由于小型四旋翼无人机本身结构质量比较轻，当前旋翼动力系统可使小型四旋翼飞行器产生较大推重比，而目前国内外各大研究机构对小型四旋翼飞行器飞行性能的研究主要集中在飞行控制系统领域。在机架结构设计中往往采用较为粗放，通过提升动力系统性能的方式弥补结构设计的不足，关于无人机机架结构设计及优化的研究较为薄弱。

因此，针对小型无人机对于负载能力、续航时间、可靠性、经济型等方面要求的不断提升，采用特定方法对四旋翼无人机机架结构进行优化显得尤为重要。

（二）国内外发展现状

拓扑优化不依赖于设计师得到工程经验以及结构的初始构型，可以得到意想不到的全新构型，因此受到国内外许多研究机构与设计人员的青睐。该方法脱离了原有的经验思路，根据一定的力学约束方法迅速得到优化的结构形式，提高了设计人员的设计效率，在航空宇航、机械设计加工、传播设计等领域，结构拓扑优化已经成为减轻结构重量的重要手段，发展较为成熟。

现有的增材制造结构，绝大部分仍然采用面向传统制造工艺的设计构型。这样所制备的结构并未充分利用增材制造所提供的新型设计空间，性能无法在本质上得到飞跃。甚至受限于增材制造技术的不成熟，其性能劣于传统制造工艺所制备的结构。

目前国外已经有将拓扑优化与3D打印技术融合的案例，例如空中客车集团 APWorks GmbH发布的世界上第一辆3D打印摩托车Light Rider，具有重量轻、结构优的特点，其车身总重量仅为35公斤，比普通的电动摩托车轻30%；美国知名运动品牌Under Armour出品的3D打印限量款跑鞋Architect；ROBOT BIKE CO(RBC)公司设计的可定制3D打印自行车；以及在航天领域应用广泛的一些3D打印航天部件等等。在这些成功案例的背后，均离不开拓扑优化与增材制造技术的交叉融合、协同应用。

对于目前的小型四旋翼飞行器机架结构，由于小型多旋翼无人机对结构的设计要求并不高，因此在设计过程中一方面并未广泛引入拓扑优化方式对机架进行结构优化，另一方面几乎不存在利用增材制造方式对优化后的结构进行加工。

但随着小型旋翼无人机研究及商业化进程的推进，其结构的性能、成本及制造必定逐渐受到人们的关注。通过拓扑优化对无人机机架结构进行优化设计，采用增材制造将拓扑优化后的设计方案转化为实际产品，将拓扑优化与3D打印技术结合的思路对于多旋翼无人机的设计与制造有着重要的意义。

（三）本文研究内容及目的

本文针对多旋翼无人机机架结构进行分析与设计，首先对典型的结构进行了分析，确定其载荷、工况、约束条件和允许的最大位移；然后通过商用软件Inspire和ANSYS对四旋翼无人机有限元模型进行拓扑优化设计，验证其静强度、刚度是否满足设计要求；最后对优化后的无人机机架进行3D打印工艺，实现3D打印整体成形最优结构的验证。

二、无人机配置及优化工况

（一）机架材质及构型选择

1、机架材质选择

基于设计需求，对市面上的四旋翼无人机机架进行了调研，并按材质进行了分类。

名称	图示	特点
尼龙塑胶机架		具有一定的强度和韧性且价格便宜
玻纤机架		由玻璃纤维制成，和塑胶机架相比具有更高的强度，而价格相比碳纤维材料便宜很多
碳纤维机架		碳纤维相比尼龙、玻纤两种机架具有更高的强度和刚度，而且重量更轻，缺点就是价格偏高

表 1  市面上四旋翼无人机机架材质

从经费、必要性等方面来考虑，选用F450的机架构型。材料选用尼龙，弹性模量1.6GPa,泊松比0.28，材料密度1120kg/m3，屈服强度100MPa性能参数来自3D打印商实验数据。

（二）动力及飞控系统选择

1、动力系统

根据经验数据，把所有电机动力的50%作为无人机自身平衡的动力，剩余的50%作为无人机机动飞行和抵抗风力的动力储备^[1]。据此，选择大疆精灵2212/920KV自锁电机和好盈20A电调，搭配1045螺旋桨。电池选用3S 2200mAh锂电池。

图 5  2212/920KV电机及20A电调1045螺旋桨图

2、飞控系统

因为本文专注重点在于机架的结构设计上，为了不把过多时间用到飞控的调试上，故选择NAZA-M Lite闭源飞控。

图 6  NAZA-M Lite飞控

（三）优化工况确立

四旋翼结构优化工况分析

四旋翼无人机的运动形式主要包括悬停，平飞，俯仰，滚转，偏航，前飞，升降等。其中，进行偏航运动及俯仰运动的目的是姿态调整，运动加速度较小，缺乏优化价值。俯仰和滚转运动对于本文设计的旋转对称构型而言在受力上是等价的。四旋翼在起飞阶段要迅速加速克服重力实现起飞，结构易受破坏，故本文选取起飞上升阶段作为优化的工况。

表 2  上升阶段工况

三、结构拓扑优化及仿真分析

（一）结构拓扑优化及优化模型确定

分别利用solidThinking Inspire和ANSYS基于设计工况进行拓扑优化。优化设计时以减重为优化目标，动力及控制系统简化为433g的力作用于四旋翼的中心位置。优化设计流程如下：

图 7  优化设计流程图

考虑到拓扑优化结果和设计域的关系，避免由于主观因素限制拓扑优化的结构形式，最初模型建立只确定四旋翼非设计域轴距为450mm，电机座直径为34mm，中心设备区为85mm正方形，整体厚度为5cm，模型如下。

图8 初始设计模型

分别利用solidThinking Inspire和ANSYS对初始模型基于设计工况进行减重优化，二者优化结果随减重比变化情况如下：

图9   初始设计模型Inspire系列优化结果

图10  初始设计模型ANSYS系列优化结果

通过第一次拓扑优化系列结果，寻找两种仿真软件的共同点，发现初始模型随减重比变化的共同趋势是呈现X型。基于此重新建立第二代优化初始模型如下。

图11  初始设计模型二

图12  初始设计模型二——三视图

对初始模型利用ANSYS进行静力学分析，其最大等效应力为4.7892MPa,小于100MPa的屈服强度，最大等效位移为0.0029958m,满足设计要求。由第一次模型优化过程发现Inspire软件结构不出现高度离散化的现象较ANSYS好，故利用Inspire进行后续拓扑优化工作。

图13  初始设计模型二——等效应力图

图14  初始设计模型二——等效位移图

通过不断调整减重比和对结果进行力学分析，最终选定减重比为30%的结果作为最后拓扑优化结果，此时结构重量为50.15g(不带起落架)，优化结果图如下：

图15   最终优化模型

（二）最终优化结构重构

首先利用Inspire模块中自带的Polynurbs的自适应模块进行初步的结构重构，而后借鉴打开UG NX软件，新建一个文件，导入拓扑优化的STL文件，以旋转大臂顶部为基准面建立草图，绘制拓扑优化形状，最后拉伸裁剪，得到最终模型的方法，将最终优化结果导入solidworks进行细致的模型重构。并再对中心区域挖孔进行减重设计及优化起落架。最终模型重构结果如下。

图 16  模型重构图

（三）拓扑优化结构静力学及动力学分析

利用Inspire中的分析模块，对优化的结果就起飞工况和悬停工况和多工况分析进行计算，验证其合理性。结构都满足强度和刚度要求。

表 3  优化结果对比表

1.起飞工况

图17  优化结构起飞Inpire计算等效应力图

图18  优化结构起飞Inpire计算等效应变图

2.悬停工况

图19  优化结构悬停Inpire计算等效应力图

图20  优化结构悬停Inpire计算等效应变图

3.多工况分析

图21  优化结构多工况Inpire计算等效应力图

为进一步验证结果的可靠性，再利用ANSYS对优化重构后的模型就起飞工况进行了受力分析。静力学结果从图中可以看出满足设计要求，模态分析结果中，可以看到其易产生共振的频率，而电机正常工作频率在90Hz，不在共振范围。

图22  优化重构结构ANSYS等效应力图

图23  优化重构结构ANSYS等效应变图

图24  优化重构结构8-11阶振型图

图25  优化重构结构自由模态前20阶振动频率

四、应用前景分析

四旋翼无人机广泛运用于航拍、森林防火、搜救，运送物资等领域，与传统方法相比具有巨大优势。四旋翼无人机的性能与其重量息息相关，在以往的无人机设计中设计师对机架结构设计与优化并不细致。

3D打印是一种以三维数字模型文件为基础的新型制造技术，与传统的减材制造方式不同，3D打印技术运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方法来构造物体，又被称为增材制造。3D打印最大的优势在于几乎可以用于制造任意形状的三维实体，让设计者在设计过程不在受到加工工艺的束缚，可以根据最高效的传力路径实现结构的拓扑优化，为设计人员实现最优方案设计方案提供了可能。

与此同时，如何实现最大程度的实现结构优化设计是另外一大重点问题。多旋翼无人机结构设计主要依靠经验设计来完成，设计人员根据已有的结构类型，设计出无人机机架的初始模型，然后通过设计需求和经验公式对结构进行分析、校核、修正，由于小型无人机结构设计过程比较粗放，因此得到的结构一般留有很大的优化空间。目前国内外最先进的设计理念是通过计算机仿真技术进行虚拟分析，然后通过优化设计技术来改进设计方案。

通过拓扑优化方法对机架进行优化，能够有效提升四旋翼无人机的飞行性能和续航时间，使得四旋翼无人机更加轻量化。同时随着3D打印技术的快速发展，面向增材制造的创新设计理论和方法越来越完善，获得具有可制造性的优质构型，已成为当今设计师和研究人员所面临的新课题。经过长时间理论的积累，以及对于优质构型设计上丰富的研究，将拓扑优化与3D打印技术相结合，对于多旋翼无人机的结构设计与加工有着重要的发展前景。

结论

本项目设计了一款基于3D打印技术进行结构拓扑优化的四旋翼无人机，通过拓扑优化技术小型对四旋翼机架设计进行了优化研究。

在无人机机架结构设计方面，选取典型飞行状态确定优化工况，在结构拓扑优化方面，利用商用软件solidThinking Inspire和ANSYS基于选定工况，以最大化刚度以及最大化频率为优化目标，进行拓扑优化并对结果进行多次迭代得到最终的优化结果总重为124.1g，再对最后优化结构利用solidworks进行结构重构。利用Inspire和ANSYS对优化的模型进行受力分析验证其可行性。

在整个研究过程中，项目研究成果为四旋翼无人机机架结构的设计与生产制造提供一种新的思路，为实现绿色化、轻量化的四旋翼无人机结构设计开辟了一条新的道路。

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