微型旋翼式无人机电池支架结构拓扑优化设计方法探析

于海生，孙昕，甘子东

（尚良仲毅（沈阳）高新科技有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

随着控制技术和传感技术的快速发展，世界上已经有很多国家展开了无人机的研究和制造，其中微型旋翼式无人机在很多领域都有广泛的应用，教育科研、航拍、农业、军事、警用安全领域等都有应用。无人机的构造也是比较简单的，包括航电系统、通信系统、传感系统、飞行控制系统等，并且每个系统都具有能完成相适合的某些任务的功能，被称作空中机器人，并且比有人驾驶的飞行器造价更低，降低了有人驾驶的风险，适用于各种复杂的环境。其中微型旋翼式无人机电池支架结构是支撑无人机续航的重要组成部分，将电池支架结构进行优化也是提升无人机续航能力的目标。

1 原电池支架有限元分析

无人机在飞行的过程中，由于受到震动和过载等影响，为了保证飞行器内部电池的正常安全使用，要对支架的结构进行强度分析和合理的设计[1]。微型旋翼式无人机电池的支架包括电池座固定部、电池固定部、功率分配器，其材料是通过ABS材料制作而成的。将上端的卡扣与底部卡槽一一对应，水平安装在无人机底部电池支架中的电池结构为锂电池，其电池支架的承受力为0.0728MPa，电池支架的材料ABS屈服强度为24.5MPa，电池支架足够承受强度要求。

图1 电池安装位置及三维尺寸图

2 拓扑优化理论基础

连续拓扑优化和离散结构拓扑优化即拓扑优化领域中的两个关键，中心思想是在给定的设计范围内将最优拓扑问题转变成为寻找承受载荷的优化材料问题，一般有变密度法、均匀化法等方法，而连续拓扑优化的本质是分解、离散，离散结构拓扑优化是由梁单元建立基础，要形成最终的拓扑方案则需要根据算法对空间单元进行排除最终保留的则为最优拓扑方案。一般无人机拓扑优化的流程，首先是有限元分析，其次仅有模型的优化，之后运行结构拓扑优化计算，计算目标函数的敏度、敏度过滤、优化求解，然后判断是否符合收敛条件，如果不符合直至符合条件在输出，最后将优化的结果输出，显示结构中最优的拓扑形式，从而达到优化的目的。在进行3D打印之前要了解各种模型的数据，建立数据模型，还要知道打印机只能识别特定类型的数据。对于结构的优化来说，应当实现相较于传统的设计来说，以更少的材料、更低的成本实现结构的最佳功能，将传统的设计替换为系统的、定向的设计。尺寸、形状和拓扑分别为结构的三个形式，则与之对应的结构优化也应分为三种优化：（1）尺寸优化：对无人机的结构如截面尺寸，关键部件的厚度分布；（2）形状优化：对无人机的设计图进行杆系结构优化；（3）拓扑优化：对无人机杆系结构的点对点、开孔数和位置结构等信息进行优化。影响产品的性能主要还是要选择正确的结构拓扑构型，所以对于拓扑优化来说，它的影响价值远大于另外两种的优化方式，而拓扑优化的中心思想还是在有限的空间内如何将最优的材料进行分别，其包含了两种优化连续拓扑优化和离散结构拓扑优化

图2 微型无人机

首先，要确定目标函数，找到质量最小的材料密度分布方案，满足刚度和强度等性能，其优化的目标函数：飞行器质量M（x），材料密度ρ。其次，确定设计变量，无人机中央面板区域的参数不能随意变动，所以只能改变电池支架结构的材料作为变量，而无人机平稳飞行的因素也离不开正确的约束函数，工作状态下无人机电池支架垂向位移不能超过规定值，保证机架有足够的强度，（σmax(z) ≤ [σ]，σmax(z)为Von Mises平均等效应力，MPa；[σ]为材料的许用应力,值为 24.5MPa）。最后，了解无人机电池支架结构拓扑优化的流程。

3 电池支架结构优化拓扑设计

对于已经确定好的结构类型和形式、工作状态和各种的条件（刚度、强度、稳定性等等条件）进行优化并要达到设计方案中的材料分布合理这一目标，就需要对提出的数学模型进行不断地反复优化求解并对其结构进行分析，根据优化变量和优化层次的不同,优化过程可以分为拓扑优化、形状优化和尺寸优化。分别对应结构优化中的概念设计。基本设计和详细设计阶段一其中拓扑优化位于整个优化过程的起始阶段,目标是寻求结构中力的最佳传递路线或材料的最佳分布，其优化结果的拓扑形式决定了后续的形状优化和尺寸优化。因而，在优化设计阶段获得结构的初始最优拓扑结构对于最终的优化结果尤为重要[4]。

首先，要通过软件的方式来对无人机飞行器的电池支架进行建模可以通过SolidWorks进行，并通过HyperMesh或OptiStruct软件对ABS塑料材料属性进行添加，并对模型进行有限元的建立，对模型缺陷处进行修复和清理，在模型上建立2D网格划分，通过3D Elem Offset模块拉伸创建模型的3D六面体网格，对网格质量进行检测，对于不符合要求的网格需要再次进行修复。然后，确定优化目标，在优化的过程中将支架的横、纵方向设置为约束条件。最后，拓扑优化结果的分析，考虑加工制造的工艺性和设置参数，进行迭代，调正阈值，确定优化结果[5]。

4 拓扑优化后电池支架验证

对设计好的微型旋翼式无人机电池支架结构拓扑优化后的支架进行验证，最后的结果是优化后的支架最大承受力要达到刚度要求[6]。

5 结论

综上所述，微型旋翼式无人机电池支架结构经过优化之后，飞机的续航能力大大提高了，采用拓扑优化软件Inspire,以结构1阶频率最小值为约束，以最小质量为优化目标，完成某四旋翼无人机翼臂与整体结构的同步设计。电池支架的重量减少了1.19g，从原来的2.5g减少到了1.31g。续航的时间也大大提升，从原来的7.464min提升到了8.054min。该结构与传统的四旋翼无人机结构存在较大的差别，整体结构类似桁架结构。无人机结构的静力学分析结果表明：设计的无人机结构最大位移较小，最大应力值远小于材料的许用应力值，结构的静力学性能满足要求。对新结构进行科学分析研究，得出的结果表现出：新建结构的1阶固定频率比动力模块最大工作频率高25.0Hz,巧妙地解决了机器本身的共振问题，而且动力性能也完美满足了标准。给四翼无人机的研发提供了一种新的设计思路，实现了低成本下的设计方案，加快了无人机研发的进程。