如何利用仿真技术计算压力场对开放式3D打印无人机叶片的刚度影响

作者：李新路
来源：安世亚太

当今科技发展日新月异，3D打印技术和无人机技术都是当今科技发展中耀眼的明珠。那么3D打印技术和无人机技术结合会擦出什么样的火花？德迪为行业带来了一个完整答案，德迪发明性的这两者相结合，提出了开放式3D打印技术（OAM）的概念。

这种开放式3D打印技术（OAM）的基本原理就是利用专用无人机作为打印喷头的载体，通过控制无人机的飞行来控制打印路线，这种技术突破了传统3D打印机的打印空间范围的限制，同时还能保持极高的打印精度，可以实现大尺寸构件的3D打印直接成型。这种技术未来的应用范围会很广，尤其适用于大型修建、太空设备、海底修建等场景。

而无人机作为开放式打印的核心部件，其控制精度将直接影响打印部件的精度和打印效果。同时在无人机设计中，叶片的设计对无人机的流场分析和无人机所获得的升力是至关重要的。叶片在无人机的流场作用下会发生变形，而叶片的变形发过来会影响无人机的流场，进而影响无人机的飞行姿态和控制精度。

本期，增材专栏通过CAE仿真手段来研究无人机在飞行过程产生的压力场会对无人机的叶片变形产生怎样的影响，来揭示压力场与无人机叶片变形的相互关系。

无人机的叶片几何模型
无人机模型如图1所示，整个无人机结构比较复杂，主要包括六个旋翼、保护罩、机臂，以及起落架、支架、平台、打印喷头等装置。

图1 六旋翼无人机几何结构模型

由于本次研究对象是叶片，为了快速获得压力场对叶片变形的影响，可以不用考虑整个的无人机模型，只需要考虑单个旋翼上叶片即可。同时对无人机单个旋翼上叶片模型进行了简化，主要删除了叶片电机上一些倒角等不重要的模型细节，单个旋翼叶片的几何数模结构如图2所示。

图2 六旋翼无人机的单个旋翼叶片几何模型

无人机叶片刚度仿真模型建立
利用Workbench将整个几何清理完的单个旋翼叶片进行网格划分，网格模型采用高阶四面体单元，整个模型共有22.4万个单元，35.5万个节点，单个旋翼叶片的网格模型具体可参见图3所示。

图3 单个旋翼叶片的网格模型

首先对无人机整机进行流场分析，获得无人机在不同转速下的压力场，具体可参见图4所示，本文选择叶片最大转速（7000RPM）下的压力场进行计算。然后将流体仿真获得压力场导入到整机结构模型中，进行刚度分析，在结构分析中的整机压力场分布如图5所示。

图4 无人机整机在流场中的压力分布图（7000RPM）

图5 无人机在结构分析中的压力分布图（7000RPM）

从无人机整机中截取了X正向的旋翼机构进行叶片的等效刚度分析，无人机叶片等效刚度的加载及其压力场分布见图6。同时在叶片电机的底部施加固定约束，和图7所示。

图6 叶片压力场分布图

图7 叶片边界条件设置

压力场对开放式打印无人机叶片刚度的流程图如图8所示。

图8 叶片刚度分析的流程图

计算结果及分析
对无人机叶片的整体变形及各方向的变形云图见图9~图12所示。通过对无人机叶片在压力场下变形分析可知，叶片在最大转速下压力场的整体变形最大为7.997e-3mm，从个分量变形来看，主要是Z方向的变形占主导地位，X方向和Y方向的变形量很小，但从整体来看，压力场对叶片的变形影响较小，基本可以忽略不计。

图9 叶片的整体变形

图10 叶片的Z向变形

图11 叶片的X向变形

图12 叶片的Y向变形

作者：李新路
车辆工程专业，硕士学位，10多年的汽车行业CAE仿真分析经验，参与并实施了多个国内汽车整车及零部件的仿真分析咨询项目，积累了大量的工程仿真分析项目经验，专长汽车行业内结构CAE分析、整车碰撞分析、乘员约束系统分析、NVH分析以及新能源汽车电池包CAE分析等；同时目前主要参与了多个增材设备结构仿真分析项目。