Altair Inspire三旋翼无人机轻量化设计

无人机设计是第一届全国机械设计创新创意大赛的比赛题目，大赛给出了对旋翼无人机的结构、材料属性、最小载重，临界位移等设计要求。

无人机设计方向：模型能满足强度要求，载重不小于1.5kg，结构最大位移最小，所设计的所有零部件材料均为PA6（尼龙材料），用料经济，需要轻量化设计，使无人机的整体重量不超过600g。

挑战

由于机械设计创新创意大赛对无人机设计的载重有着明确的要求，所以在结构设计的时候需要进行合理的的计算，把无人机的重量尽可能减轻，同时需要满足无人机在各个飞行工况下的满足实际飞行的要求。另外一方面，在重量减轻的同时所产生的复杂结构难以用传统的方法进行加工，所以只有选择3D打印的方式来进行无人机实际结构的制造。由于3D打印的工艺多样，所以需要根据工艺的特点选择相应的打印工艺和打印材料。在轻量化设计的同时需要根据工艺的特点对模型进行调整。

解决方案

设计的初期使用Altair的Inspire进行快速的概念设计，通过Inspire的拓扑优化方式进行结构优化，其操作简单、运算快速，可自动划分网格，大大加快了结构轻量化的过程，使得原本需要通过反复迭代来探索的结构能够快速准确地获得。

有了明确的优化结果之后，可在优化结果的基础上使用Altair的Inspire的PolyNURBS工具进行几何结构的重构与再设计，在设计的过程中对优化结果欠缺的部分进行检查与补充，同时针对3D打印的工艺特点进行相应的调整。

完成了整体的重构与设计后，再使用Inspire的静力学分析功能对无人机的结构进行分析，根据分析的应力、位移等结果判断无人机机体设计是否符合实际的要求。

结论

Altair的Inspire的快速建模和优化使得轻量化设计的准确性和效率大大提高，在设计的初始阶段就给出了正确的结构方案，避免了很多结构设计的问题，节省了大量的设计迭代时间。

通过Inspire的PolyNURBS工具能够方便快速地对优化结果进行几何重构，拖拽的建模方式十分灵活方便，对于一些需要调整的设计能够第一时间有效地进行更改，另外Inspire还能够高质量地对接3D打印工艺。

对于设计结果的验算，Inspire的静力学分析工具使用简单快速，可自动划分网格，直观的云图显示能够很好地评判设计的有效性和合理性。

最终无人机结构通过Inspire静力学计算的最大应力为0.84MPa，最大位移为0.04mm，机身的重量相比初始结构减少了860g，降低了61.4%，在满足一定强度和载荷的要求下，质量低于600g，续航时间有所提升。

（内容、图片来源：Altair官方文件）

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