于海生，孫昕，甘子東

（尚良仲毅（沈陽）高新科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著控制技術和傳感技術的快速發(fā)展，世界上已經有很多國家展開了無人機的研究和制造，其中微型旋翼式無人機在很多領域都有廣泛的應用，教育科研、航拍、農業(yè)、軍事、警用安全領域等都有應用。無人機的構造也是比較簡單的，包括航電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等，并且每個系統(tǒng)都具有能完成相適合的某些任務的功能，被稱作空中機器人，并且比有人駕駛的飛行器造價更低，降低了有人駕駛的風險，適用于各種復雜的環(huán)境。其中微型旋翼式無人機電池支架結構是支撐無人機續(xù)航的重要組成部分，將電池支架結構進行優(yōu)化也是提升無人機續(xù)航能力的目標。

1 原電池支架有限元分析

無人機在飛行的過程中，由于受到震動和過載等影響，為了保證飛行器內部電池的正常安全使用，要對支架的結構進行強度分析和合理的設計[1]。微型旋翼式無人機電池的支架包括電池座固定部、電池固定部、功率分配器，其材料是通過ABS材料制作而成的。將上端的卡扣與底部卡槽一一對應，水平安裝在無人機底部電池支架中的電池結構為鋰電池，其電池支架的承受力為0.0728MPa，電池支架的材料ABS屈服強度為24.5MPa，電池支架足夠承受強度要求。

圖1 電池安裝位置及三維尺寸圖

2 拓撲優(yōu)化理論基礎

連續(xù)拓撲優(yōu)化和離散結構拓撲優(yōu)化即拓撲優(yōu)化領域中的兩個關鍵，中心思想是在給定的設計范圍內將最優(yōu)拓撲問題轉變成為尋找承受載荷的優(yōu)化材料問題，一般有變密度法、均勻化法等方法，而連續(xù)拓撲優(yōu)化的本質是分解、離散，離散結構拓撲優(yōu)化是由梁單元建立基礎，要形成最終的拓撲方案則需要根據算法對空間單元進行排除最終保留的則為最優(yōu)拓撲方案。一般無人機拓撲優(yōu)化的流程，首先是有限元分析，其次僅有模型的優(yōu)化，之后運行結構拓撲優(yōu)化計算，計算目標函數的敏度、敏度過濾、優(yōu)化求解，然后判斷是否符合收斂條件，如果不符合直至符合條件在輸出，最后將優(yōu)化的結果輸出，顯示結構中最優(yōu)的拓撲形式，從而達到優(yōu)化的目的。在進行3D打印之前要了解各種模型的數據，建立數據模型，還要知道打印機只能識別特定類型的數據。對于結構的優(yōu)化來說，應當實現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的設計來說，以更少的材料、更低的成本實現(xiàn)結構的最佳功能，將傳統(tǒng)的設計替換為系統(tǒng)的、定向的設計。尺寸、形狀和拓撲分別為結構的三個形式，則與之對應的結構優(yōu)化也應分為三種優(yōu)化：（1）尺寸優(yōu)化：對無人機的結構如截面尺寸，關鍵部件的厚度分布；（2）形狀優(yōu)化：對無人機的設計圖進行桿系結構優(yōu)化；（3）拓撲優(yōu)化：對無人機桿系結構的點對點、開孔數和位置結構等信息進行優(yōu)化。影響產品的性能主要還是要選擇正確的結構拓撲構型，所以對于拓撲優(yōu)化來說，它的影響價值遠大于另外兩種的優(yōu)化方式，而拓撲優(yōu)化的中心思想還是在有限的空間內如何將最優(yōu)的材料進行分別，其包含了兩種優(yōu)化連續(xù)拓撲優(yōu)化和離散結構拓撲優(yōu)化

圖2 微型無人機

首先，要確定目標函數，找到質量最小的材料密度分布方案，滿足剛度和強度等性能，其優(yōu)化的目標函數：飛行器質量M（x），材料密度ρ。其次，確定設計變量，無人機中央面板區(qū)域的參數不能隨意變動，所以只能改變電池支架結構的材料作為變量，而無人機平穩(wěn)飛行的因素也離不開正確的約束函數，工作狀態(tài)下無人機電池支架垂向位移不能超過規(guī)定值，保證機架有足夠的強度，（σmax(z) ≤ [σ]，σmax(z)為Von Mises平均等效應力，MPa；[σ]為材料的許用應力,值為 24.5MPa）。最后，了解無人機電池支架結構拓撲優(yōu)化的流程。

3 電池支架結構優(yōu)化拓撲設計

對于已經確定好的結構類型和形式、工作狀態(tài)和各種的條件（剛度、強度、穩(wěn)定性等等條件）進行優(yōu)化并要達到設計方案中的材料分布合理這一目標，就需要對提出的數學模型進行不斷地反復優(yōu)化求解并對其結構進行分析，根據優(yōu)化變量和優(yōu)化層次的不同,優(yōu)化過程可以分為拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。分別對應結構優(yōu)化中的概念設計?；驹O計和詳細設計階段一其中拓撲優(yōu)化位于整個優(yōu)化過程的起始階段,目標是尋求結構中力的最佳傳遞路線或材料的最佳分布，其優(yōu)化結果的拓撲形式決定了后續(xù)的形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。因而，在優(yōu)化設計階段獲得結構的初始最優(yōu)拓撲結構對于最終的優(yōu)化結果尤為重要[4]。

首先，要通過軟件的方式來對無人機飛行器的電池支架進行建模可以通過SolidWorks進行，并通過HyperMesh或OptiStruct軟件對ABS塑料材料屬性進行添加，并對模型進行有限元的建立，對模型缺陷處進行修復和清理，在模型上建立2D網格劃分，通過3D Elem Offset模塊拉伸創(chuàng)建模型的3D六面體網格，對網格質量進行檢測，對于不符合要求的網格需要再次進行修復。然后，確定優(yōu)化目標，在優(yōu)化的過程中將支架的橫、縱方向設置為約束條件。最后，拓撲優(yōu)化結果的分析，考慮加工制造的工藝性和設置參數，進行迭代，調正閾值，確定優(yōu)化結果[5]。

4 拓撲優(yōu)化后電池支架驗證

對設計好的微型旋翼式無人機電池支架結構拓撲優(yōu)化后的支架進行驗證，最后的結果是優(yōu)化后的支架最大承受力要達到剛度要求[6]。

5 結論

綜上所述，微型旋翼式無人機電池支架結構經過優(yōu)化之后，飛機的續(xù)航能力大大提高了，采用拓撲優(yōu)化軟件Inspire,以結構1階頻率最小值為約束，以最小質量為優(yōu)化目標，完成某四旋翼無人機翼臂與整體結構的同步設計。電池支架的重量減少了1.19g，從原來的2.5g減少到了1.31g。續(xù)航的時間也大大提升，從原來的7.464min提升到了8.054min。該結構與傳統(tǒng)的四旋翼無人機結構存在較大的差別，整體結構類似桁架結構。無人機結構的靜力學分析結果表明：設計的無人機結構最大位移較小，最大應力值遠小于材料的許用應力值，結構的靜力學性能滿足要求。對新結構進行科學分析研究，得出的結果表現(xiàn)出：新建結構的1階固定頻率比動力模塊最大工作頻率高25.0Hz,巧妙地解決了機器本身的共振問題，而且動力性能也完美滿足了標準。給四翼無人機的研發(fā)提供了一種新的設計思路，實現(xiàn)了低成本下的設計方案，加快了無人機研發(fā)的進程。