[发明专利]六旋翼无人机机身铺层设计方法

说明书

本发明涉及复合材料无人机结构设计技术领域，特别是一种六旋翼无人机机身铺层设计方法；首先将无人机机身分为旋翼臂、上翼缘、机身侧壁以及机身腹板四大区域；上述区域分别进行铺层优化设计，由以下三阶段铺层优化方法获得，首先进行自由尺寸优化获得各区域上每一层铺层的形状以及每层的厚度，并按照划分的区域形状进行调整，再对其进行尺寸优化得到采用实际材料厚度的各铺层的角度、层数和顺序，最后进行铺层顺序优化通过调整铺层顺序来进一步提高机身整体刚度，最终获得各区域的铺层方案；本发明将无人机机身分成若干区域，各区域再进行铺层优化设计，可以提高设计效率，获得最轻量化、最合理的铺层方案。

技术领域

本发明涉及飞行器结构设计领域，特别是一种六旋翼无人机机身铺层设计方法。

背景技术

随着无人机在工业、农业、以及日常生活中的应用越来越广泛，如何提升无人机的续航里程成为了最受关注的问题之一，而轻量化作为提升续航里程的有效途径成为了该领域的研究热点。复合材料具有质量轻、比强度和比刚度高、可设计性强、耐腐蚀等特点，且易实现一体化制造，现已成为无人机机身最重要的材料。

在民用领域，大部分无人机都为多旋翼无人机，如图1所示的为一款六旋翼无人机。然而目前在无人机机身铺层设计和工艺操作中，大多是凭借工程师的经验，还没有形成一套科学有效的铺层设计方法，特别是由于机身表面较复杂，各区域承载时的力学要求并不一样，如果对整个机身进行统一的铺层设计，不仅效率低，而且实际工艺中铺层也不方便，因此，迫切需要对机身有一个区域划分，在区域定义好后，再对各区域进行铺层优化的方法，不仅可以提高效率，获得较轻的铺层方案，而且在实际产品生产中所获得的铺层方案易于操作。

发明内容

针对以上问题，本发明目的在于提供一种六旋翼无人机机身的铺层设计方法，通过本铺层方案，易于实现铺层模块化；通过本铺层方案的设计方法，可以指导设计人员科学地进行铺层方案设计，从而在满足刚度与强度要求下，实现无人机机身的最理想轻量化设计。

为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：

一种六旋翼无人机机身铺层设计方法，包括以下步骤：

步骤1、机身分区，将无人机机身分为旋翼臂、上翼缘、机身侧壁以及机身腹板四大区域；

步骤2、建立机身有限元分析模型；

步骤3、自由尺寸优化，初步得到旋翼臂、上翼缘、机身侧壁以及机身腹板的铺层形状和厚度；

步骤4、对步骤3中得到的各个区域的每一层铺层的厚度和形状进行调整，删除不符合实际制造工艺要求厚度的铺层，并跟据已划分的机身四大区域的形状对其余铺层形状进行调整；

步骤5、对经步骤4调整后的铺层进行尺寸优化，各区域中每一层的铺层厚度优化成实际采用的复合材料厚度，并确定各角度铺层所占百分比，以获得各区域各均匀层的角度、整体层数和顺序；

步骤6、对各区域中铺层顺序进行优化。

优选地，步骤2中，所述有限元模型的初始铺层顺序为[0°/45°/-45°/90°]s且每一层厚度为1mm的超级层模型，同时定义优化过程的设计工况，并预定义最终采用的复合材料厚度为t，其中S为该铺层顺序重复的次数，且每一次重复均与上一轮铺层关于中性面对称。

优选地，所述步骤3中，自由尺寸优化以每个网格单元的厚度作为优化变量，以无人机机身许用变形量和铺层优化准则为约束条件，以无人机机身的质量最小作为目标函数，得到每一层厚度不等、形状也不相同的铺层方案；其数学模型描述为：