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...l 【焦点 l 机器人、无人机】

3D科学谷洞察

轻量化是提高无人机续航能力的关键因素之一，通过3D打印实现的轻量化设计，能够使无人机在相同的动力系统下飞行更远的距离。例如，采用3D打印技术制造的无人机机架，可使无人机的飞行效率、稳定性和续航能力得到提升。减轻无人机自身重量后，可相应增加其载重能力。这对于执行物流运输、农业植保等任务的无人机尤为重要，能够提高其作业效率和经济效益。”

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

原帅超、王建峰、段宇航、郝璐静、占小红

南京航空航天大学材料科学与技术学院

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.

增材制造技术在飞行器结构上的应用需求分析

时光辉1,2武文华1陶然3罗俊荣3林晔2李强2林晓虎4孙齐东3

1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室2.北京机电工程研究所结构强度与动力技术研究室3.北京理工大学先进结构技术研究院4.陆军航空兵学院航空机械工程系

未来先进飞行器的研制，对结构系统在功能和性能上均提出更高的要求，表现在结构的承载功能一体化、智能化、轻量化、承载效率提升等方面的需求，因此需要与之匹配的先进制造手段作为支撑。增材制造由于其在宏微观复杂结构研制、小批量柔性生产、高效率快速响应等方面的天然优势，成为未来支撑先进结构研制的先进制造方式之一。首先以飞行器承载结构为研究对象，分析各个部分的主要材料体系以及各个部分可能的增材制造应用前景，对现有的增材制造与飞行器结构研制的结合实现结构轻量化性能提升、复杂构件制备、快速原型机研制方面进行综述分析。进一步，通过具体的工程需求分析，阐述飞行器结构在新材料、优化设计、制备、维护/维修、成本控制等方面对增材制造的需求，为增材制造技术在飞行器承载结构和非承载功能结构技术上推广应用提供支撑和参考。

可编程3D打印的非对称双稳态压电振动能量采集器性能研究

张海彬、李康康、汪御飞、陈渊博、王光庆

浙江工商大学信息与电子工程学院(萨塞克斯人工智能学院)

物联网中海量低功耗无线传感器的自供电问题是微电子技术领域的热点问题，至今未得到很好的解决。传统磁耦合式双稳态压电振动能量采集器由于频带窄、效率低等缺陷无法满足低功耗无线传感器的自供电需求。为了提升双稳态压电振动能量采集器的综合输出性能，本文设计了一种可编程3D打印的非对称双稳态压电振动能量采集器，利用可编程设计和3D打印制作的非对称势能阱轨道结构代替传统磁耦合结构产生非线性排斥力，激发悬臂梁产生大幅值的阱间运动，从而提升压电振动能量采集器的工作频带和发电效率。利用哈密顿能量法和拉格朗日方程建立了双稳态压电振动能量采集器的非线性机电耦合动力学方程，仿真和试验研究了不同势能阱轨道结构参数对压电振动能量采集器动态输出性能的影响。研究结果表明：设计的三种可编程轨道结构压电振动能量采集器的工作频带分别为4.6,2.6和1.7 Hz，归一化功率输出密度分别达到16.163,15.6和14.151 mW·cm-3·g-2·Hz-1，满足低功耗无线传感器的自供电要求。本文所提出的3D打印可编程设计方法灵活简便，用户可以根据不同的传感器外部环境定制个性化的非对称/对称型多稳态压电振动能量采集器。

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

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。

叠层式介电弹性体人工肌肉驱动器:设计、制备与柔性驱动应用

马文涛1,2王海天1,2孙文杰3汤超4曹崇景5高兴5刘磊6李博1,2陈贵敏1,2

1. 西安交通大学机械工程学院2. 西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室3. 西安理工大学机械与精密仪器工程学院4. 中国海洋大学工程学院5. 中国科学院深圳先进技术研究院6. 西北工业大学机电工程学院

介电弹性体驱动器(Dielectric Elastomer Actuator, DEA)具有可与自然肌肉相媲美的优异驱动特性,近些年成为了柔性驱动领域的研究热点之一.鉴于单层DEA存在输出力小、易失稳、结构刚度低,需要预拉伸维持的问题,叠层式介电弹性体驱动器(Multi-Layered Dielectric Elastomer Actuator, MDEA)应运而生.本文归纳了现有的MDEA材料的特性,总结了叠层结构的设计与制备方法,并对其性能进行了比较和分析;介绍了多种适用于MDEA的柔性电极以及对应图案化制备方法;最后对MDEA在柔性器件以及机器人驱动中的应用进行介绍.随着技术的发展,高性能的MDEA势必成为人工肌肉的重要组成部分,并将支撑软体机器人领域的进一步发展.

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