基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析

根据消费级四旋翼无人机性能要求,设计了一款质量轻、强度高、航时长、构型简洁的全碳纤维结构消费级四旋翼无人机。建立了四旋翼无人机结构有限元模型,对额定载荷下无人机的结构应力进行了分析。基于最大应力强度准则,对无人机结构强度进行了校核。分析了结构的稳定性,计算了初始结构失稳临界载荷和失稳模态。基于最小重量要求对无人机初始结构的碳纤维铺层进行了优化设计。对优化后的结构进行了固有振动分析,给出了结构的前四阶固有频率和振动模态。优化后的结构在2 g过载下,极限载荷是最大使用载荷的2.57倍,失稳临界载荷是最大载荷的2.09倍,满足设计目标和要求。优化后的结构重量减少了21%,降低为108.6 g,有效载荷约为机体结构重量的3倍。     

基于拓扑优化的二板式注塑机动模板轻量化设计

为提升注塑机工作性能及降低制造成本,根据二板式注塑机动模板的最小加载面工况建立有限元模型,采用基于变密度法的拓扑优化进行轻量化设计;为快速获取优化所得模型结构,对拓扑结果逼近建模,在动模板的四个侧壁、背面等部位分别采用直线与圆弧组合、环形、半球形等规则形状进行模型重构,并将关键尺寸参数化;对优化前、后动模板进行仿真分析对比,结果显示,该优化模型的应力、应变有一定程度增加,但均在工程许用范围内,质量相较原始模型减轻29.4%。     

基于光流和超声波模块的小型四旋翼无人机定点悬停控制

针对小型四旋翼无人机无GPS环境下的定点悬停问题,设计了一种改进的基于计算机视觉的控制方案,并搭建小型四旋翼无人机飞行试验平台。在光流工作的同时,引入超声波模块为无人机提供高度信息,使得光流传感器始终在固定高度工作,提高光流测量的准确度。试验结果表明:该方案的定点悬停效果较好。     

基于改进遗传算法的四旋翼无人机飞行姿态测量方法

为提高无人机飞行姿态的测量精度，本文引进改进遗传算法，设计一种针对四旋翼无人机的飞行姿态测量方法。首先利用改进遗传算法中的算子，编码四旋翼无人机的初始化状态，使用实数编码方式，将待辨识的参数作为输入条件，辨识无人机飞行中姿态参数；其次根据机翼产生的不同转速，控制无人机的飞行，并提取无人机飞行姿态参数，构建对应的动力学模型；最后设定无人机主体结构在飞行过程中存在横向、纵向与竖向三个方向的旋转姿态，对比实验结果证明：该方法可以提高四旋翼无人机飞行中姿态角测量精度，控制测量结果与标准值偏差在±0.2°范围内。     

复合材料无人机滑撬式起落架设计与优化

根据某型号小型无人机总体要求,建立无人机滑撬式起落架的有限元模型,机身部分采用等效质点简化处理,进行无人机着陆过程的动力学仿真,得到无人机着陆过程中速度衰减趋势、过载值等仿真结果。通过对弓形梁截面尺寸及铺层角度的优化,使无人机落地过程中的过载值达到安全范围,并利用Tsai-Wu失效准则对弓形梁进行强度校核。设计并得到使无人机具有最小过载值且起落架结构不发生失效的弓形梁结构。此外,尝试使用不同的纤维复合材料,进一步提高滑撬式起落架的抗振性能。结果表明,合理的弓形梁尺寸可以提高起落架的抗振性,且芳纶纤维制成的起落架结构相比于碳纤维拥有更好的抗振性能。该研究成果对无人机滑撬式起落架的设计和制造具有重要的指导意义。     

摩托车金属连接件ABS轻量化设计与FDM增材制造

针对摩托车金属连接件轻量化需求,对金属连接件进行了两次轻量化优化设计,第一次是在满足连接件使用性能的条件下更改连接件材料,由铝合金更改为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)塑料,此次更改,实现60%的减重;第二次也是在满足连接件使用性能的基础上采用Altair Inspire软件对其进行拓补优化、几何重构及强度校核,得到适合于3D打印的结构,相对第一次优化后的结构实现79%的减重效果,通过两次轻量化优化设计后连接件相对于原始金属连接件实现了92%的减重,然后通过切片软件设置切片层厚、连接件摆放位置等参数对连接件三维数据进行前处理,最后通过3D打印机实现摩托车连接件FDM快速制造,为摩托车金属零件轻量化设计与制造提供了一种新的思路。     

基于ANSYS软件的工程机械轮胎后充气装置机架的轻量化研究

应用ANSYS Workbench有限元分析软件对工程机械轮胎后充气装置机架（以下简称机架）进行轻量化研究。结果表明：在满载工况下,机架的结构强度和刚度存在较大盈余;通过试验验证机架有限元模型准确;形状优化和尺寸优化后,在满足强度和刚度的前提下机架总体质量减小了30.57%;根据形状优化和尺寸优化结果对机架结构进行改进,机架应力分布得到改善。该轻量化设计及结构改进方法对相关机械设备的结构优化具有一定的参考价值。     

复杂环境下的四旋翼无人机定位技术综述

四旋翼无人机的定位一直是无人机研究领域的核心问题,四旋翼无人机准确的定位是实现飞行控制、避障、路径规划以及抓取等各种复杂任务的基础和前提。本文对复杂环境下的四旋翼无人机定位技术的历史发展以及研究现状进行了简要介绍,并对基于同步定位与制图(SLAM)技术的机器视觉定位、激光测距定位、红外线定位、超声波定位进行了重点介绍。     

基于SIMP优化理论的注塑机固定模板拓扑优化

利用优化准则算法,按照变密度法求解拓扑优化的固体各向同性惩罚微结构模型(SIMP 模型),结合工程应用的实际状况,对注塑机固定模板结构进行了拓扑优化,合理布置加强筋,使其得到更好的材料分布。在满足产品技术指标的同时,变形减少了3.5%,提高了模板刚度,质量减少了9.5%,实现了结构轻量化的目标,得到了适合工程应用的优化模型。     

玻纤增强聚丙烯无人机机身轻量化设计及优化分析

为了增大无人机的减重效果,基于微发泡注塑成型工艺,利用Moldflow仿真软件对无人机机身进行优化分析。基于单因素试验结果,利用正交试验得到最优工艺参数组合。结果表明:单因素试验中,熔体温度、模具温度、保压压力、气体初始浓度对质量的影响较大,适当增加温度、气体初始浓度,减小保压压力可以达到减重效果。通过正交试验优化,当熔体温度为275℃,模具温度为80℃,保压压力为14 MPa,气体初始浓度为1%,无人机机身的质量为21.81 g,相比优化前降低9.58%;无人机机身的翘曲变形量降至0.289 8 mm。     

某型燃料电池无人机结构设计

复合材料结构在小型无人驾驶飞机中的应用越来越广泛,随着无人机的发展,以复合材料为主体的无人机结构型式已有多种.本文根据某型燃料电池无人机总体要求,对该无人机进行结构设计,主要内容包括材料选择、机翼机身结构选择、结构设计以及重要部件强度分析,设计了满足总体设计要求的无人机结构.     

大型风机叶片复合材料的三维拓扑优化设计

为实现大型风机叶片的轻量化,对纤维增强风机叶片复合材料进行三维拓扑优化设计。首先,基于均匀化理论,将碳纤维增强风机叶片复合材料等效为等效均质体,预测其宏观等效力学性能;然后,以单元相对密度为设计变量、实体材料总体积分数为约束条件、等效宏观弹性矩阵主对角线分量或分量的加权组合为目标函数建立优化模型。采用固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)建立设计变量和宏观弹性模量之间的关系,采用灵敏度过滤技术和优化准则法控制材料的分布。在MATLAB平台上编写了相应程序,对大型风机叶片复合材料进行三维拓扑优化,计算得出不同优化目标下的三维最优结构。数值结果表明了该优化模型的正确性和有效性,为实现风机叶片结构轻质高强设计提供了一种参考。     

复合材料机身壁板连接分析及轻量化设计

对复合材料机身壁板的单钉连接、多钉连接和胶接三种形式进行结构损伤分析,基于Hashin准则对基体和纤维的起始损伤进行判定,分析了纵向拉伸载荷下的失效模式。采用Optistruct对机身壁板进行了轻量化设计,在满足力学性能和制造工艺的要求下,对复合材料进行非均匀铺层优化,通过自由尺寸优化确定铺层数量,尺寸优化确定铺层厚度,优化铺层顺序获取最优材料性能,实现减轻结构重量的目标。通过优化设计,机身结构在满足强度、刚度和制造工艺要求的前提下重量得到大幅降低。     

倾转旋翼无人机悬停姿态气动分析

本文通过比较研究国内外现有倾转旋翼无人机的优缺点,设计了一款新型的倾转旋翼无人机,有效地融合了传统固定翼无人机以及旋翼无人机的优点,既能够实现垂直起降,又能够以较快的速度进行较长时间的巡航飞行。首先使用Pro/e软件完成无人机虚拟样机的设计,然后通过SC/Tetra软件对无人机在悬停状态下螺旋桨不同转速时获得的升力以及此时无人机的气动性能进行了仿真研究,通过分析仿真结果证明该无人机的结构设计的可行性和优越性。     

某电磁弹射无人机复合材料机翼结构优化设计与分析

无人机已经成为航空领域重要成员之一。在无人机初步设计阶段,为减轻其结构重量,采用复合材料设计。复合材料在比强度和比刚度以及抗振和加工制造等方面优于其他传统材料,在无人机结构中得到了广泛的应用。由于复合材料层合板在生产加工过程中具有可设计性,在复合材料中已经成为使用最多的一种结构形式。以某型号电磁弹射无人机机翼为研究对象,建立了复合材料机翼结构的有限元模型,将机翼的结构重量作为优化目标,以机翼翼尖挠度和复合材料失效因子为约束条件,应用工程优化软件对复合材料翼面结构进行自由尺寸优化,整个优化过程需同时满足机翼强度及刚度要求。最终自由尺寸优化结果表明,复合材料的铺层比例和厚度分布在优化后得到了重新设计,比较之前的结构方案,优化后的铺层设计能够有效降低机翼结构质量,实现减重的优化目标。     

中间单层周边双层球面网壳的形状优化

在构造中间单层周边双层球面网壳结构优化的最小重量目标函数后,以杆件截面尺寸、网壳结构的矢高和厚度为设计变量,用fortune编制改进的形状优化两级算法程序对初选结构的数学模型进行优化,并与大型有限元设计软件ALGOR相连接,实现了通过优化程序自动调用有限元分析软件ALGOR进行结构分析,使结构分析与优化设计实现了自动化。     

洗衣机波轮有限元分析及拓扑优化设计

为提高波轮结构设计与开发效率，提升波轮洗涤质量，降低波轮材料损耗，针对波轮结构的优化设计，运用有限元分析和拓扑优化的方法，并以某迷你洗衣机波轮为例进行实例验证。首先，对波轮结构进行优化设计，并以此为基础进行后续分析与优化；其次，用Solid Works软件建立波轮三维模型并导入Ansys Workbench软件，进行静力学分析和模态分析，得到典型工况下的变形、应力和固有频率情况，由此确定其结构优化设计的方向；最后，在保证波轮强度和刚度的情况下，以优化波轮质量为目标，通过拓扑优化方法对波轮进行结构分析与改进，并进行对比验证。对比结果表明，优化后的波轮结构在提高强度和刚度的同时，波轮整体质量减轻了18%，优化设计效果明显。本研究为实际产品的结构优化设计提供了方法和依据。     

汽车动力总成悬置结构设计方法的研究

通过拓扑优化、参数优化、形状优化及限位设计进行汽车动力总成悬置(简称悬置)结构设计。设计过程如下:首先进行拓扑优化,以悬置概念结构作为原始设计方案;然后对悬置结构关键尺寸进行参数优化,使悬置的三向线性刚度偏差均小于3%,满足技术要求;之后对应力集中区域进行形状优化,使y和z向最大主应力有明显的降低;最后结合悬置非线性曲线设计准则进行限位设计,得到最终悬置结构。本研究方法适用于悬置类产品及汽车其他部件的设计。     

基于多旋翼无人机平台的高空玻璃清洁装置的研发及应用

本文设计出一款基于多旋翼无人机平台的高空玻璃情节装置,主要由多旋翼无人机、机械运动机构和清洗机构组成。其中,多旋翼无人机提供机构的挂载安装、控制和检测;机械运动机构按照指令移动清洗机构;清洗机构实现高压冲洗清洁。该装置实现了对高层建筑物的玻璃幕墙的清洁和检测,自动化程度高,极大地提高了清洁效率,降低人力成本,也为无人机今后的创新应用开发设计提供参考,为拥有A P O A执照的无人机飞手提供了一个新兴职业。     

基于可靠性的中空板结构⁃功能一体化设计与性能研究

针对聚合物制品的可靠性、轻量化和力学性能的结构?功能一体化设计,建立了RBTO-MMWDC 连续体结构拓扑优化模型。为便于该设计方法的普及应用,实现了基于优化程序的图形用户界面开发,并选取可靠性指标β=3.0的中空板截面结构为例完成设计。采用有限元仿真方法分别对新型中空结构的静力学性能和动力学响应进行了评价分析。与传统结构相比其抗压性能和抗弯性能分别提升了29.20 %和74.93 %,一阶固有频率实现了100.91 %提升并有效避免于前5阶发生扭转振型。此外,以SLA光敏树脂C-UV9400为原料,采用光固化3D打印技术制备2种中空结构试件样品并利用材料力学性能测试系统对其进行了抗弯强度和刚度试验。结果表明,新型结构抗弯强度和刚度分别实现了60.88 %和55.30 %的显著提升。该研究为面向聚合物制品的结构-功能一体化设计工程应用提供了理论参考与可行性解决方案。