高速无人飞行器伞吊点隔框拓扑优化设计.pdf
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1、电气与自动化胡琦等高速无人飞行器伞吊点隔框拓扑优化设计第一作者简介:胡琦()男山西朔州人高级工程师硕士研究方向为无人系统总体及飞行器设计.:./.高速无人飞行器伞吊点隔框拓扑优化设计胡琦陶彦瑾韩世东邵振宇(航天时代飞鸿技术有限公司北京)摘 要:对于伞降回收高速无人飞行器而言伞吊点隔框结构轻量化设计尤为重要 针对某型高速伞降回收无人飞行器采用 模块并以拓扑优化变密度法为理论基础对前伞吊点隔框进行轻量化设计基于优化结果及实际应用需求进行二次优化设计通过静力实验对优化后结构承载能力进行验证 结果表明:在同载荷边界条件下可实现某型号无人机前伞吊点隔框减质量 且满足实际使用要求为高速伞降回收无人机关键承
2、力结构的优化设计提供了思路关键词:高速无人飞行器伞降回收伞吊点隔框轻量化拓扑优化中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:引言随着无人作战时代的来临高速无人飞行器因其机动性能优异、环境适应性强、成本低廉、智能化程度高等优点近年来已经成为航空领域的研究热点 无人机伞降回收具有对回收场地的要求低、操作简单等多方面的优势相比于轮式起降无人机在野外作战优势明显已成为一种无人机常见的回收方式 然而无人机在回收阶段发生的故障数量占据无人机飞行任务整体故障数量的所以无人机回收技术已经成为影响无人机技术发展的决定性因素之一 对于伞降回收无人机而言发生故障的主要原因之一是无人机在回收时期由于开伞产生的大过
3、载从而导致隔框变形甚至断裂 除需满足结构可靠性外结构质量也是影响飞机性能、带载能力的关键 因此保证高速无人飞行器的前伞点隔框结构强度可靠性的同时考虑结构轻量化问题对无人机安全回收、飞机性能提升具有重要的意义目前国内外对于无人机部件结构轻量化进行了一定程度的研究拓扑优化的主要优点有以下 点:第一点为成本和质量优化第二点为设计效率高第三点为节省材料 因此本文采用拓扑优化的方式对前伞吊点隔框进行轻量化设计无人机的前伞吊点隔框轻量化设计近年来已取得初步进展但部分研究止步于理论分析 例如李英磊等和 等对拓扑优化的原理及分析准确但其文中得到的理论结果在工程应用方面具有一定的局限性本文的研究方向是对某型高速
4、无人飞行器现有的前伞吊点隔框结构进行结构优化设计在相同载荷及使用工况下进行轻量化设计有效提高无人机的飞行性能 由于拓扑优化的优点及其在结构优化设计中的广泛应用本文采用拓扑优化变密度法使用 计算材料密度和隔框有限元模型中材料的函数关系并对拓扑优化结果进行二次优化最后对制造出的隔框进行力学试验 本研究对无人机的飞行性能提升具有重大意义也可为高速型号无人机其他部件的轻量化设计提供理论基础及工程经验 前伞吊点隔框拓扑优化分析.拓扑优化理论分析为了制定结构优化问题需要引入目标函数、设计变电气与自动化胡琦等高速无人飞行器伞吊点隔框拓扑优化设计量和状态变量 目标函数 表示可以最小化或最大化的目标 设计变量
5、描述了结构的设计代表几何形状 状态变量 表示结构响应例如应力、应变或位移 以上关系如式()所示()受以下条件约束 上的设计约束()上的状态约束均衡约束()引入表示状态变量的状态函数()例如在某个方向上的位移 这个状态函数可以作为优化任务的约束条件通常公式化为()考虑()由位移向量()表示情况离散的有限元问题 为了建立状态函数需求解式()的节点位移:()()()()式中:是全局刚度矩阵 是全局载荷向量 这意味着结构优化任务可以用嵌套公式表达其中平衡约束由状态函数式()处理()受以下条件约束()()式()通过计算 和 相对于 的导数来求解 代表一个几何特征 在拓扑优化中设计变量 代表域的连通性目标
6、函数通常称为多目标优化问题:()()()()式中 是目标函数的数量 目标函数可使用权重表述权重总和为 可得拓扑优化的一般形式为 ()()受以下条件约束()()()()式中目标函数()为获得最佳性能而被最小化的数量材料分布作为问题变量由每个位置的材料密度()来描述用 或 表示 满足线性或非线性状态方程 为设计域 约束()变密度法数学模型描述如下:()()()()()()式中:是设计变量代表每个设计单元的相对密度在区间 之间是材料的最小单位密度 为柔顺度为总刚度矩阵是相对密度为 的单元刚度矩阵 是位移矢量是材料单元的位移列向量 是外力矢量是结构体积是结构体积允许的最大值本文采用 模块实现拓扑优化拓
7、扑优化函数为多工况下的结构柔顺度即函数 为本次优化计算的目标函数约束函数为结构的总体积将体积的去除量设定为 按照 的拓扑优化的原则要求选定优化准则 方法并将优化迭代的收敛公差设为.优化迭代次数设为 次.分析过程本文对某型高速无人飞行器前伞吊点隔框进行拓扑优化过程如图 所示 首先对初始隔框进行力学分析和强度校核之后进行拓扑优化设计通过迭代运算得出优化结果模型最后在后处理阶段进行二次建模及强度校核得出可应用于工程的结果3),3 图 隔框拓扑优化流程图)前处理阶段前伞吊点隔框优化前结构几何参数如图 所示力学模型如图 所示 隔框的基本要求为在无人机伞降期间承受降落伞对机体的过载在保证自身不损伤、变形量
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