无人机复合材料翼梁结构优化：HyperWorks技术引领

行业：航空航天

挑战：降低复合材料翼梁结构重量

Altair 解决方案：利用Altair OptiStruct和 HyperStudy软件中的复合材料 优化技术获得减重50%的设计 方案。

优点：更长的飞行距离 ；携带更多的负载

背景介绍

无论在军事领域还是民用行业，无人机(UAV)都是一种先进的工具。

无人机的优势是在没有人身危险的情况下快速提供重要数据，以满足民用、商业和军事组织对信息的巨大需求。  

无人机几乎可以做到实时提供远程数据，它在政府和军事机构的维和行动、情报搜集和作战指挥等方面发挥了巨大的作用。除此之外，无人机还广泛应用于农业监控和天气追踪等民用领域，并推动这些行业的长期发展。无人机涉及的关键技术从高级材料的微型化到航空电子学图像模式识别等多学科技术，这些高科技的集成应用将为相关行业带来巨大的挑战和机遇。

挑战

随着无人机应用范围的不断扩大，有效负载比成为主要的设计驱动。对无人机系统来说，有效负载比就是在给定的机身情况下携带更多的负载、油料或增加功能。为实现这一目标，复合材料是一个不错的选择。无人机续航能力已不再受到机组成员的限制，而是取决于燃油消耗，因为无人机系统的空中加油技术还没有实现。高空飞行 对系统总体重量的要求越来越高，通过使用先进的复合材料以及与之相关的优化技术，是获得飞行性能、续航能力和（或）成功携带武器的关键所在。  

无人机UAV百科：

UAV无人驾驶飞机的英文缩写（UnmannedAerialVehicle），简称无人机。目 前，全球约有4.8万架无人机。无人机不需要飞行员在机舱内进行驾驶，飞行 全过程在电子设备的控制下自动完成。无人机上不用安装任何与飞行员有关的 设备，这样可以腾出空间和重量装更重要的设备。另外，使用无人机不用担心 飞行员伤亡的问题。在 2002年的阿富汗战场上，美军使用 Tier—2“捕食者” 无人驾驶飞机向基地组织的车队发射了“海尔法”空地导弹。

解决方案：多学科优化

首先确定翼梁上承受的载荷和边界条件，使用拓扑优化技术对翼梁的结构进行优化计算。结果表明，翼梁使用中空的矩形截面仍能满足性能要求。

然后使用AltairOptiStruct的复合材料优化技术对矩形翼梁结构中不同角度如正负45度和90度的铺层进行优化。铺层形状优化技术将首次应用到铺层角度的优化上。

最后进行铺层尺寸的优化，优化过程中除了应用应变和屈曲约束，还用到Multi-continuum理论（MCT）的失效准则。MCT通过将铺层整体的应力应变分割成各组成部分（纤维和基体）的应力应变的方式来研究复合材料结构中的微观力学。这 将允许使用不同的失效理论研究纤维和基体来获得每个组成部分的力学特性。由于MCT与有限元方法易于集成的特点， FireholeTechnologies公司已将其开发成商业软件HeliusMCT，并集成在几种有限元软件包中。

来自Altair多学科优化软件HyperStudy的响应面优化技术将用来处理包含非线性有限元分析和multi-continuum理论的多学科优化问题以获得复合材料铺层最优的尺寸。                            

优化结果：减重50%

优化结果表明：翼梁的重量可以减少至原始设计的50%。轻量化设计首先来自于可将翼梁设计成中空矩形截面梁结构的拓扑优化，然后引入铺层角度的概念，通过铺层角度优化进一步减轻结构重量。最后在优化过程中使用MCT失效准则，使最终的设计方案满足总体应变、挠曲以及失效约束。

这一过程表明：在复合材料结构设计过程中使用多学科优化技术可以获得更加轻便的结构，使用复合材料铺层形状优化加上响应面优化和multicontiuum理论将获得轻量化的结构并且满足微观力学水平的失效约束。整个流程可以在现代计算机系统上高效运行，并且支持设计工程师在同一时间调整多个参数以获得一个最优的设计方案。无人机系统的轻量化设计意味着它可以携带更多的负载、增加更多的功能或飞行更远的距离，任何一项进步都将是无人机研发的巨大成功。

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