基于连续纤维增材制造工艺的四旋翼无人机拓扑优化...l 【焦点 l 低空经济】

根据3D科学谷的市场洞察，国际上亚马逊的无人机项目在经历了多次故障、坠毁甚至火灾后，正在建造一个更好的无人机，以帮助规划公司的Prime Air送货服务的未来发展。新的MK30无人机旨在更安静、飞行更远，并且更好地应对元素，例如高温和小雨。

3D打印技术为无人机的制造带来了许多优势，包括更快速的原型制作、定制化以及按需生产。这项技术允许创建复杂、轻巧的结构，非常适合无人机的空中需求，同时也为无人机爱好者提供了前所未有的定制水平。

无人机制造商正在转向使用3D打印技术来制造更优质、更轻、更坚固的无人机组件。3D打印不仅大大缩短了从计划到生产的时间，而且几乎不需要重新调整工具，就可以生产出几乎不需要重新调整的部件。此外，3D打印选项通常最终成本与传统方法相当甚至更低。

本期，通过节选近期国内在低空经济研究探索领域的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略低空经济背后的技术趋势。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

3D打印技术在无人机的轻量化和力学性能提升方面具有巨大的潜力。通过优化设计和材料选择，可以显著提高无人机的性能，同时降低生产成本。”

图片：MarkForged

3D科学谷发现

3D Science Valley Discovery

国内的研究进展表明未来3D打印材料的多样性和性能将进一步提升，如使用先进的复合材料和智能材料，这将为无人机提供更优越的性能，包括更轻的重量、更高的强度和更好的耐久性.结合自动化和智能化技术，3D打印可以进一步实现无人机的自动化生产，提高生产效率和质量控制水平。

Insights that make better life

基于连续纤维增材制造工艺

的四旋翼无人机拓扑优化

熊婷、钱波、胡珍涛、茅健、赵嫚、刘钢

上海工程技术大学机械与汽车工程学院 机械工业航空大型复杂薄壁构件智能制造技术重点实验室 上海交通大学四川研究院

摘要：

针对四旋翼无人机实现轻量化和提升力学性能的需求，提出一种连续纤维增材制造工艺和拓扑优化构型设计相结合的方法。首先基于复合丝材制备工艺，以连续碳纤维为增强材料，短切碳纤维填充尼龙为基体材料，通过熔融沉积成型制得复合材料样件，研究成型方向、纤维分布区域和成型路径方式对样件力学性能影响，得到连续碳纤维复合材料的最佳工艺参数为平放打印、纤维层均匀间隔分布和0°成型路径。其次，利用拓扑优化技术对承载能力最弱工况下的四旋翼无人机重新设计，优化后模型的质量比优化前减轻了48%。再结合最佳工艺参数制备不同连续纤维体积分数的四旋翼无人机样件进行压缩性能测试，结果表明连续纤维体积分数为35%时，可在较低成本下提高样件的力学性能。

激光增材制造无人机框梁

结构拓扑优化设计及刚度分析

郝璐静、原帅超、王建峰、段宇航、占小红

南京航空航天大学材料科学与技术学院

摘要：

目的

以选区激光熔化成形（SLM）无人机接头框梁结构为研究对象，研究不同工况条件下零件的变形分布情况，对原零件进行拓扑结构优化，并对优化后的零件进行二次静力学验证。

方法

以AlSi10Mg铝合金粉末为原材料，利用Ansys Workbench软件的Mechanical模块对SLM成形接头零件4种工况下的静力学刚度行为进行有限元仿真。采用变密度法进行拓扑优化，以刚度最大化为目标、保留质量40%为响应约束进行结构优化，根据拓扑优化密度云图设计孔洞位置及尺寸，对模型进行重构，并在Ansys Workbench软件中进行二次静力学刚度仿真。

结果

在4种工况条件下，接头零件弯曲时最大位移位置在上耳片边缘，除工况A外，其余工况均呈现沿z轴正向变形的趋势。在工况B下，总变形最大为0.289 mm，优化后为0.626 mm。优化后的零件使上、下耳片变形程度差异显著减小，最大变形差由0.128 mm减至0 mm。

结论

不同位置接头零件的变形演变规律不同，几乎不存在扭转变形，主要是框梁结构的竖直弯曲变形，经拓扑结构优化后零件变形总体趋势并未改变，但整体结构的稳定性和一致性得到了显著提高。

3D打印技术

在无人机生产制造中的应用

褚威、李欣、牛思源、王立东、程高峰

中国酒泉卫星发射中心

摘要：

本课题重点针对SLA和FDM两种3D打印技术进行研究,结合三维激光扫描技术,分析了3D打印技术应用于无人机生产制造的优势和难点问题,通过实际应用案例总结出了一套应用3D打印技术生产制造无人机的方法和流程,对未来可消耗、低成本的小型无人机生产制造具有一定的参考价值。

基于3D打印的

船载无人机参数化设计

饶婕

桂林航天工业学院

摘要：

以降低船载无人机重量，提升船载无人机力学性能为目的，设计基于3D打印的船载无人机参数化设计方法。通过面向3D打印的SolidWorks软件建立以船载无人机结构柔度最小为目标，以体积、梯度等为约束条件的船载无人机参数确定模型；利用变权重变异鸽群优化算法，求解该模型，确定最小结构柔度对应的船载无人机参数；依据确定的参数，建立船载无人机的三维模型，并导入3D打印软件内；3D打印技术以分层处理的方式，完成船载无人机参数化设计。实践证明，该方法可有效确定船载无人机参数，建立船载无人机三维模型，有效完成船载无人机参数化设计。该方法设计的船载无人机最大应力较大，符合无人机结构刚度与强度等力学性能需求。

复合翼eVTOL推力单元

安装散热一体化设计

陈修贤、姚远、张宝柱、董明

上海沃兰特航空技术有限责任公司

摘要：

基于复合翼eVTOL推力单元散热需求，通过CFD分析了4种散热气道内空气的流速，选择满足散热需求的散热气道；设计推力单元和散热气道的安装结构，采用有限元方法计算电机臂和电机座的结构应变和应力，结果满足结构的强度要求。通过台架试验、地面压载试验和飞行试验，验证推力单元安装散热一体化设计的可行性，填补了国内复合翼eVTOL推力单元利用前行空气来流进行散热与安装设计的空白。

基于证据理论和区间分析的

eVTOL热失控安全性分析

王鹏、王晓聪、肖女娥、李勃阳

中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室 中国民航大学科技创新研究院 中国民航大学中欧航空工程师学院

摘要：

为保证eVTOL的安全性，需要对锂电池的热失控问题进行安全性分析。针对锂电池热失控失效数据不足这一问题，提出一种基于证据理论和区间分析的安全性评估方法：对系统进行故障树建模；针对故障树分析中存在的底事件失效率不精确的问题，使用证据理论计算底事件失效概率区间，并结合区间理论对故障树顶事件进行计算；通过重要度分析，找出对顶事件影响最大的底事件。利用所提方法，对eVTOL电池热失控进行安全性分析并计算各底事件的重要度，从而为降低系统失效概率、提升系统安全性水平提供依据。

电动垂直起降复合翼

飞行器电机臂结构设计

陈修贤、董明、董文俊、吴韦志

上海沃兰特航空技术有限责任公司研发中心

摘要：

电动垂直起降复合翼飞行器的电机臂为关键的承载部件，在转换飞行阶段和反转换飞行阶段，飞行载荷复杂，研究其结构设计具有重要意义。本课题研究垂起、转换、固定翼飞行、反转换、降落飞行阶段电机臂承受的桨叶拉力、飞行过载载荷，在此载荷下设计双传力路径的电机臂结构，并在给定约束条件下进行电机座的结构优化；通过强度仿真分析对电机臂结构设计进行计算分析，确保电机臂上复合材料和金属零件的应力水平低于设计许用值；根据电机臂结构形式，设计试验加载方式，通过静强度试验和飞行试验，测量试验过程中的应变及变形，并与强度计算结果进行对比分析，以验证电机臂结构设计和计算结果的准确性。结果表明：本文设计的电动垂直起降复合翼飞行器电机臂满足刚度、强度、疲劳设计要求。

谷.专栏

投稿邮箱：2509957133@qq.com

欢迎投稿

▌三维科学 l 无限可能

投稿丨 2509957133@qq.com

www.3dsciencevalley.com