一种拓扑优化仿生无人机及其设计方法技术

本发明专利技术涉及了一种拓扑优化仿生无人机及其设计方法，包括机身、机臂、电池、电机、螺旋桨、转子、摄影机、GPS系统以及飞行控制系统。利用拓扑优化技术去除无人机设计中低效的材料，减轻无人机的自重，从而提高无人机的承载力、飞行时间以及加速度。简要设计步骤为：首先，根据无人机的有效荷载和功能设计转子和螺旋桨的尺寸并进行建模；然后，根据稳定飞行和尽可能承受更多荷载的原则选择合适的机身材料。最后利用优化软件对无人机主体框架进行结构优化，并设置好相应的目标参数。本发明专利技术设计出的仿生无人机大大减轻了机身自重并显著提升了飞行续航能力，机身强度高且外形自然美观。

A Topology-Optimized Bionic UAV and Its Design Method

The invention relates to a bionic UAV with topological optimization and its design method, including the fuselage, arm, battery, motor, propeller, rotor, camera, GPS system and flight control system. Topology optimization technology is used to remove inefficient materials in UAV design and reduce the weight of UAV, so as to improve the bearing capacity, flight time and acceleration of UAV. The brief design steps are as follows: Firstly, the size of rotor and propeller is designed and modeled according to the effective load and function of UAV; then, the appropriate fuselage material is selected according to the principle of stable flight and bearing as much load as possible. Finally, the main frame of UAV is optimized by optimization software, and the corresponding target parameters are set. The bionic UAV designed by the invention greatly reduces the self-weight of the fuselage and significantly improves the flight endurance ability, with high strength and natural and beautiful appearance of the fuselage.

【技术实现步骤摘要】
一种拓扑优化仿生无人机及其设计方法
本专利技术涉及一种通过拓扑优化技术设计的仿生无人机，属于创新结构领域。
技术介绍
拓扑优化通过自动去除设计领域中低效的材料，为轻量级设计提供了一种实用的方法。此外，它还可以给造型设计的美学方面带来灵感。因此，拓扑优化不仅可以应用在应工业设计也可以应用在建筑设计。自1988年以来，在过去的30年里，一些流行的结构设计拓扑优化方法得到了发展。其中最流行的一些方法是均质化法，各向同性固体微结构密度法，渐进结构优化和双向渐进结构优化法。渐进结构优化法最早由谢亿民和Steven提出，这个方法基于简单的算法，逐渐把结构中的低效材料删除，以使结构“进化”为最优形态。通过与现成的商用的有限元分析软件相连接，渐进结构优化法可以很方便地解决各种静/动力学和结构稳定等优化问题。在随后提出的双向渐进结构优化法里，材料不但能被删除，还可以被添加到结构中最需要的部位。渐进结构优化法以及双向渐进结构优化法方法由于其简单而有效的算法，已经用于多个实际工程设计。然而，由于加工的限制，所产生的有机形状结构通常难以制造，这限制了这种技术的推广。近年来，以3D打印为代表的商业化先进制造方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拓扑优化仿生无人机，其特征在于：包括经过拓扑结构优化设计的机身部分和机臂部分，以及电池、电机、机身底板、螺旋桨、转子、摄影机；所述机身部分的内部设置有放电池、电机、摄影机的机仓并配有GPS系统和飞行控制系统，且电池与电机以挡板相隔上下放置；所述机臂部分的机臂末端预留孔洞以供转子和螺旋桨的连接固定；所述螺旋桨旋转半径R与相邻两轴之间的距离D之间的关系满足：0.4D

【技术特征摘要】
1.一种拓扑优化仿生无人机，其特征在于：包括经过拓扑结构优化设计的机身部分和机臂部分，以及电池、电机、机身底板、螺旋桨、转子、摄影机；所述机身部分的内部设置有放电池、电机、摄影机的机仓并配有GPS系统和飞行控制系统，且电池与电机以挡板相隔上下放置；所述机臂部分的机臂末端预留孔洞以供转子和螺旋桨的连接固定；所述螺旋桨旋转半径R与相邻两轴之间的距离D之间的关系满足：0.4D<R<0.45D；所述经过拓扑结构优化设计的机身部分和机臂部分的质量与优化前实心体的质量比为10％和最小厚度为4mm；所述机臂部分自由端位移s满足：s<3.3mm；所述机身部分质量m与无人机总质量M的关系满足：m/M<17％。2.根据权利要求1所述的拓扑优化仿生无人机的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1)根据无人机的有效荷载和功能确定各组成部分的规格与尺寸，包括螺旋桨、转子、电池和电机的规格和尺寸，构建合适的初始方案，并确定基本模型；2)将建成的初始模型采用拓扑优化算法进行结构优化，分析过程如下：首先遵从最小化原则，对体积进行约束，构建以下函数保证结构的整体平衡：F＝KU(3)其中目标函数为柔度C；元素相对密度的向量为X，因此是二进制的变量向量；xe是e的设计变量，实际所取值为1或规定x的最小值；元素的总数为N；FT和UT分别为整体应力矢量F和位移矢量U的转置矩阵；整体刚度矩阵为K；结构的总体积为V，单个元素体积为ve；施加约束体积的值为V*；本设计将体积分数约束设置为35％；接下来设置设计域及分布荷载，将优化设计域设计为长方体且在中间增加对称线约束，进行机身优化设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：马嘉明，任鑫，王仕龙，韩传镇，张相玉，
申请(专利权)人：谢亿民工程科技南京有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32