基于拓扑优化的四旋翼无人机结构设计

吉亮 丁文杰 谷春璐 李玉华 SAEED Nouman 陈卓 龙凯

摘要：为实现某四旋翼无人机的轻量化结构设计，采用Inspire进行拓扑优化设计，并对获得的拓扑优化结构进行静力分析和动力学分析。分析结果表明，通过拓扑优化方法获得的无人机结构应力分布合理，结构位移小且频率较高，满足静态和动态结构设计要求。研究结果可为实现低成本、轻量化的四旋翼无人机结构设计提供一条新的途径。

关键词：无人机; 四旋翼; 拓扑优化; Inspire

中图分类号：TH128;TB115.1

文献标志码：B

Structural design of quadrotor unmanned aerial vehicle based on topology optimization

JI Liang DING Wenjie GU Chunlu LI Yuhua SAEED Nouman CHEN Zhuo LONG Kai

（Renewable Energy School North China Electric Power University Beijing 102206 China）

Abstract：

To implement the lightweight structure design of a quadrotor unmanned aerial vehicle the topology optimization design is performed using Inspire and the static analysis and dynamic analysis of the obtained topology optimization structure are achieved. The analysis results show that stress distribution of the unmanned aerial vehicle structure derived from the topology optimization method is reasonable and the structure displacement is small and the structural frequency is high which meets the static and dynamic structure design requirements. The study results can provide an innovative way for the lowcost and light weight structure design of quadrotor unmanned aerial vehicle.

Key words：

unmanned aerial vehicle; quadrotor; topology optimization; Inspire

0 引 言

無人机广泛用于航拍、电力巡检、农业和影视拍摄等领域。四旋翼无人机以其结构相对简单、不需要反扭装置、成本低和悬停稳定等优点，得到广泛的应用。[1]目前，无人机结构设计研究大多数集中于对已有无人机结构进行刚度和强度校核，再根据分析结果反复修改结构。刘峰等[2]基于有限元法完成四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析。田卫军等[3]结合振动特性设计四旋翼无人机结构。吴文志等[4]分析全力拉伸和降落工况下无人机结构的强度和刚度响应。喻辉[5]完成某重载四旋翼无人机的结构设计与强度计算。裴彦华[6]分析某多旋翼无人机结构的动态特性，同时采用拓扑优化方法对起落架连接结构进行优化。吴子毅[7]采用有限元法对惯性测量单元进行减振设计。冯琨程等[8]对某系留无人机的外壳进行自由尺寸优化。目前，有关无人机结构拓扑优化设计的系统性研究很少。

本文基于拓扑优化理论，应用商业软件Inspire，以频率为约束，对无人机进行结构拓扑优化，得到一种新型四旋翼无人机机架结构。……