[發明專利]六旋翼無人機機身鋪層設計方法

在審

• 申請號: 201811047779.7
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109190262A
• 公開（公告）日: 2019-01-11
• 發明（設計）人: 劉強;黃翊豪
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 佛山匯能知識產權代理事務所(普通合伙) 44410
• 代理人: 張俊平;周詳

1.一種六旋翼無人機機身鋪層設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1、機身分區，將無人機機身分為旋翼臂、上翼緣、機身側壁以及機身腹板四大區域；

步驟2、建立機身有限元分析模型；

步驟3、自由尺寸優化，初步得到旋翼臂、上翼緣、機身側壁以及機身腹板的鋪層形狀和厚度；

步驟4、對步驟3中得到的各個區域的每一層鋪層的厚度和形狀進行調整，刪除不符合實際制造工藝要求厚度的鋪層，并跟據已劃分的機身四大區域的形狀對其余鋪層形狀進行調整；

步驟5、對經步驟4調整后的鋪層進行尺寸優化，各區域中每一層的鋪層厚度優化成實際采用的復合材料厚度，并確定各角度鋪層所占百分比，以獲得各區域各均勻層的角度、整體層數和順序；

步驟6、對各區域中鋪層順序進行優化。

2.如權利要求1所述的六旋翼無人機機身鋪層設計方法，其特征在于：步驟2中，所述有限元模型的初始鋪層順序為[0°/45°/-45°/90°]s且每一層厚度為1mm的超級層模型，同時定義優化過程的設計工況，并預定義最終采用的復合材料厚度為t，其中s為該鋪層順序重復的次數，且每一次重復均與上一輪鋪層關于中性面對稱。

3.如權利要求1所述的六旋翼無人機機身鋪層設計方法，其特征在于：所述步驟3中，自由尺寸優化以每個網格單元的厚度作為優化變量，以無人機機身許用變形量和鋪層優化準則為約束條件，以無人機機身的質量最小作為目標函數，得到每一層厚度不等、形狀也不相同的鋪層方案；其數學模型描述為：

其中，n表示有限元模型中網格單元數量，A_j表示第j個網格單元的面積，T_totalj表示第j個單元的整體厚度，ρ表示復合材料的密度，P表示機身許用變形量，T_ij為第j個單元i角度的鋪層厚度之和，T_{ij_sym}為第j個單元關于鋪層中性面對稱的i角度鋪層厚度，T_{ij_yz}、T_{ij_xz}、T_{ij_z}分別為第j個單元關于yz平面對稱、xz平面對稱、z軸中心對稱的i角度鋪層厚度。

4.如權利要求1所述的六旋翼無人機機身鋪層設計方法，其特征在于：所述步驟5中，對鋪層進行尺寸優化是指以各區域鋪層厚度作為優化變量，T_sai-W_u強度指數以及在設計工況下機身許用變形量為約束條件，無人機機身質量最小為目標函數，將自由尺寸優化后各區域中每一層的鋪層厚度優化成實際采用的復合材料厚度，并確定各角度鋪層所占百分比，以獲得的各區域各鋪層的角度、整體層數和順序，其數學模型如下：

式中：N為整體一半的鋪層層數，A_k為每一層鋪層的面積，T_k為每一層鋪層的厚度，T_±45m為±45°鋪層中鋪層形狀m的厚度，x為不同形狀的鋪層的數量，ρ為復合材料密度，P為機身許用變形量，F_index為T_sai-W_u強度指數。

5.如權利要求1所述的六旋翼無人機機身鋪層設計方法，其特征在于：所述步驟6中對各區域鋪層順序進行優化是指對尺寸優化后各區域的鋪層順序進行調整，其數學模型如下：

Min compliance

式中：Compliance指的是柔度，它是剛度的倒數，θ_km為鋪層形狀m的第k層的角度，θ_{km_sym}為相應的對稱鋪層的角度，n為對應鋪層形狀區域的總鋪層數的一半，SUCC_max為同一纖維方向的最大連續鋪層數，Cover₁、Cover₂分別為結構表面第一層和第二層的鋪層角度。

6.如權利要求2所述的六旋翼無人機機身鋪層設計方法，其特征在于：所述設計工況是指無人機在發生急墜時，每個螺旋槳以最大拉力推動無人機上升的過程中，無人機機身承受整機重力載荷以及施加在機臂上的拉力載荷。