如何利用仿真技術(shù)計(jì)算壓力場對(duì)開放式3D打印無人機(jī)葉片的剛度影響

作者：李新路
來源：安世亞太

當(dāng)今科技發(fā)展日新月異，3D打印技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)都是當(dāng)今科技發(fā)展中耀眼的明珠。那么3D打印技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)結(jié)合會(huì)擦出什么樣的火花？德迪為行業(yè)帶來了一個(gè)完整答案，德迪發(fā)明性的這兩者相結(jié)合，提出了開放式3D打印技術(shù)（OAM）的概念。

這種開放式3D打印技術(shù)（OAM）的基本原理就是利用專用無人機(jī)作為打印噴頭的載體，通過控制無人機(jī)的飛行來控制打印路線，這種技術(shù)突破了傳統(tǒng)3D打印機(jī)的打印空間范圍的限制，同時(shí)還能保持極高的打印精度，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件的3D打印直接成型。這種技術(shù)未來的應(yīng)用范圍會(huì)很廣，尤其適用于大型修建、太空設(shè)備、海底修建等場景。

而無人機(jī)作為開放式打印的核心部件，其控制精度將直接影響打印部件的精度和打印效果。同時(shí)在無人機(jī)設(shè)計(jì)中，葉片的設(shè)計(jì)對(duì)無人機(jī)的流場分析和無人機(jī)所獲得的升力是至關(guān)重要的。葉片在無人機(jī)的流場作用下會(huì)發(fā)生變形，而葉片的變形發(fā)過來會(huì)影響無人機(jī)的流場，進(jìn)而影響無人機(jī)的飛行姿態(tài)和控制精度。

本期，增材專欄通過CAE仿真手段來研究無人機(jī)在飛行過程產(chǎn)生的壓力場會(huì)對(duì)無人機(jī)的葉片變形產(chǎn)生怎樣的影響，來揭示壓力場與無人機(jī)葉片變形的相互關(guān)系。

無人機(jī)的葉片幾何模型
無人機(jī)模型如圖1所示，整個(gè)無人機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要包括六個(gè)旋翼、保護(hù)罩、機(jī)臂，以及起落架、支架、平臺(tái)、打印噴頭等裝置。

圖1 六旋翼無人機(jī)幾何結(jié)構(gòu)模型

由于本次研究對(duì)象是葉片，為了快速獲得壓力場對(duì)葉片變形的影響，可以不用考慮整個(gè)的無人機(jī)模型，只需要考慮單個(gè)旋翼上葉片即可。同時(shí)對(duì)無人機(jī)單個(gè)旋翼上葉片模型進(jìn)行了簡化，主要?jiǎng)h除了葉片電機(jī)上一些倒角等不重要的模型細(xì)節(jié)，單個(gè)旋翼葉片的幾何數(shù)模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 六旋翼無人機(jī)的單個(gè)旋翼葉片幾何模型

無人機(jī)葉片剛度仿真模型建立
利用Workbench將整個(gè)幾何清理完的單個(gè)旋翼葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型采用高階四面體單元，整個(gè)模型共有22.4萬個(gè)單元，35.5萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，單個(gè)旋翼葉片的網(wǎng)格模型具體可參見圖3所示。

圖3 單個(gè)旋翼葉片的網(wǎng)格模型

首先對(duì)無人機(jī)整機(jī)進(jìn)行流場分析，獲得無人機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的壓力場，具體可參見圖4所示，本文選擇葉片最大轉(zhuǎn)速（7000RPM）下的壓力場進(jìn)行計(jì)算。然后將流體仿真獲得壓力場導(dǎo)入到整機(jī)結(jié)構(gòu)模型中，進(jìn)行剛度分析，在結(jié)構(gòu)分析中的整機(jī)壓力場分布如圖5所示。

圖4 無人機(jī)整機(jī)在流場中的壓力分布圖（7000RPM）

圖5 無人機(jī)在結(jié)構(gòu)分析中的壓力分布圖（7000RPM）

從無人機(jī)整機(jī)中截取了X正向的旋翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行葉片的等效剛度分析，無人機(jī)葉片等效剛度的加載及其壓力場分布見圖6。同時(shí)在葉片電機(jī)的底部施加固定約束，和圖7所示。

圖6 葉片壓力場分布圖

圖7 葉片邊界條件設(shè)置

壓力場對(duì)開放式打印無人機(jī)葉片剛度的流程圖如圖8所示。

圖8 葉片剛度分析的流程圖

計(jì)算結(jié)果及分析
對(duì)無人機(jī)葉片的整體變形及各方向的變形云圖見圖9~圖12所示。通過對(duì)無人機(jī)葉片在壓力場下變形分析可知，葉片在最大轉(zhuǎn)速下壓力場的整體變形最大為7.997e-3mm，從個(gè)分量變形來看，主要是Z方向的變形占主導(dǎo)地位，X方向和Y方向的變形量很小，但從整體來看，壓力場對(duì)葉片的變形影響較小，基本可以忽略不計(jì)。

圖9 葉片的整體變形

圖10 葉片的Z向變形

圖11 葉片的X向變形

圖12 葉片的Y向變形

作者：李新路
車輛工程專業(yè)，碩士學(xué)位，10多年的汽車行業(yè)CAE仿真分析經(jīng)驗(yàn)，參與并實(shí)施了多個(gè)國內(nèi)汽車整車及零部件的仿真分析咨詢項(xiàng)目，積累了大量的工程仿真分析項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，專長汽車行業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)CAE分析、整車碰撞分析、乘員約束系統(tǒng)分析、NVH分析以及新能源汽車電池包CAE分析等；同時(shí)目前主要參與了多個(gè)增材設(shè)備結(jié)構(gòu)仿真分析項(xiàng)目。