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基于变密度法的SLM增材制造无人机承载接头结构拓
扑优化设计
摘
要
针对某大型无人机机身轻量化需求,以选区激光熔化(Selective
laser
melting,
SLM)制造的承载接头结构为研究对象
建立有限元模型,基于ANSYS
Workbench计算接头结构在不同极限工况下的强度、刚度性能,并根据材料最大许用应力准则
进行校核.
采用拓扑优化变密度法,以应力最小化为目标、保留质量40%为响应约束,对接头结构进行拓扑优化,根据优化结
果设计两种重构方案并进行静力学验证.
结果表明,两种模型重构方案分别减重了13.8%和13.3%,在轻量化程度相近的情况
下,方案II明显具有更小的应力分布以及变形程度,即最优重构方案成功实现轻量化设计,与原结构件相比质量减轻13.3%,
且相较于其他方案承载能力最强,满足静态结构设计要求.
为大型无人机承载接头结构实现低成本、轻量化的结构设计探索
了新的途径.
关键词
拓扑优化;静力学分析;增材制造;轻量化设计;结构设计
Topological
optimization
design
of
SLM
additive
manufactured
unmanned
aerial
vehicle
bearing
joint
structure
based
on
variable
density
method
ABSTRACT
To
address
the
need
for
weight
reduction
in
a
large
unmanned
aerial
vehicle
(UAV)
fuselage,
this
study
focused
on
the
load-bearing
joint
structure
manufactured
through
selective
laser
melting
(SLM).
A
finite
element
model
of
this
structure
was
created
and
analyzed
using
ANSYS
Workbench
to
evaluate
its
strength
and
stiffness
under
various
extreme
conditions.
The
design
was
verified
against
the
material’s
maximum
permissible
stress
criterion.
The
study
then
employed
topology
optimization,
using
the
variable
density
method
aimed
at
minimizing
stress,
to
optimize
the
joint
structure
while
retaining
40%
of
its
original
mass.
Based
on
the
optimization
results,
two
redesign
schemes
were
developed
and
validated
through
static
analysis.
In
the
optimized
models,
significant
material
removal
was
observed
in
the
middle
part
of
the
thin
plate
connected
by
the
covers
of
Scheme
I
and
Scheme
II.
The
latter,
in
particular,
demonstrated
the
largest
side
length
of
material
removal
at
56
mm.
The
weights
of
Scheme
I
and
Scheme
II
were
reduced
to
0.325
kg
and
0.327
kg,
respectively,
down
from
the
initial
mass
of
0.377
kg,
translating
to
weight
reductions
of
13.8%
and
13.3%,
respectively.
The
results
indicated
that
Scheme
II
achieved
a
notable
13.3%
weight
reduction
while
maintaining
the
strongest
load-bearing
capacity
among
the
alternatives.
Under
similar
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condition
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