仿真保設(shè)計丨從無人機振動分析看有限元分析法在設(shè)計中的應(yīng)用
在工業(yè)4.0的大背景下，智能制造時代已悄然來臨。為提高效率，降低成本，在產(chǎn)品設(shè)計之初就能對產(chǎn)品的技術(shù)性能有較為準確的預測，有限元分析法在智能制造時代扮演著越來越重要的角色。
有限元法興起于20世紀50年代末，是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)。有限元分析法的求解思想就是將復雜問題區(qū)域進行離散化分割，分割成許多子區(qū)域，對每個子區(qū)域進行求解，得到近似解，再通過變分使得誤差函數(shù)達最小值，此時便得到了整個問題區(qū)域的近似解。最初主要用來求解飛機結(jié)構(gòu)的靜力及動力特性。隨后應(yīng)用范圍很快擴展到熱力學、電磁學、流體力學等，連續(xù)性物理問題。
接下來就以無人機振動有限元分析為例，看元王CAE仿真如何驗證無人機機身及機翼等部件的結(jié)構(gòu)強度是否滿足設(shè)計要求。
FEA模型
分析條件
無人機前后三電機處約束固定，給整機施加一個1g的加速度激勵（激勵施加于約束固定點處，由固定點處傳遞到整機）進行振動分析，如下所示，分別模擬X、Y及Z方向。
分析結(jié)果
分析結(jié)果（振動，X方向）
分析結(jié)果（振動，Y方向）
分析結(jié)果（振動，Z方向）
結(jié)論
無人機在1g的加速度激勵下進行振動分析，前后機翼、機身及連接組件的最大等效應(yīng)力均低于所用材料屈服應(yīng)力，連接可靠，無屈服失效風險。
有限元分析法已從解決產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中的單一問題的工具，逐漸發(fā)展成為從產(chǎn)品概念設(shè)計開始，到產(chǎn)品詳細設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)過程設(shè)計、產(chǎn)品運行過程監(jiān)控仿真的產(chǎn)品全生命周期仿真優(yōu)化設(shè)計平臺。
而在無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從方案設(shè)計到結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計，從靜力學分析到結(jié)構(gòu)動力學分析，從結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計到疲勞壽命預測，有限元法已滲透到無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，主要可總結(jié)為以下幾點：
在無人機總體方案設(shè)計初期，需要快速的計算驗證和反復迭代改進，最終確定滿足設(shè)計要求的總體結(jié)構(gòu)方案，而此時利用有限元法對簡化的總體結(jié)構(gòu)模型進行計算驗證，能夠很快的得到計算結(jié)果，驗證方案可行性。
利用有限元法，對無人機結(jié)構(gòu)進行靜力學結(jié)構(gòu)靜力學計算、模態(tài)分析、動響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)熱變形及熱應(yīng)力分析等，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能夠快速得知所設(shè)計無人機細節(jié)結(jié)構(gòu)的可行性并進行迭代優(yōu)化設(shè)計。
此階段可以通過現(xiàn)成的工藝設(shè)計有限元軟件對無人機結(jié)構(gòu)工藝方案進行設(shè)計，尤其對于機身有復合材料結(jié)構(gòu)件的無人機，復合材料部件工藝方案設(shè)計的好壞將直接影響無人機的整體性能。
以復合材料結(jié)構(gòu)件成形工藝中的樹脂傳遞模塑 (RTM) 成型工藝為例，大型結(jié)構(gòu)件一體成型時，事先對樹脂充型過程進行有限元模擬，能夠指導工藝設(shè)計人員合理的安排布置樹脂導流管及樹脂出入口以避免干斑的出現(xiàn)。
4 后期力學實驗階段
由于無人機上搭載著多種傳感器與電子設(shè)備，無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，需要進行整機力學實驗以驗證整機結(jié)構(gòu)，此時對整機進行有限元分析，能夠預測無人機上各設(shè)備的力學環(huán)境，獲得整機及設(shè)備在不同頻率下的振動響應(yīng)趨勢，這些信息對于整機力學實驗具有重要的參考價值。
5 無人機使用維護階段
關(guān)鍵部位零部件疲勞壽命預估及使用過程中局部損壞結(jié)構(gòu)的損傷分析，能夠使無人機維護人員提前發(fā)現(xiàn)潛在危險并及時采取措施，最大限度降低無人機由于疲勞及結(jié)構(gòu)損傷造成的經(jīng)濟損失。
仿真保設(shè)計，除了無人機，針對其他產(chǎn)品也是一樣！有限元分析在產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化維護各個階段都可以發(fā)揮重要作用。深圳市有限元科技有限公司（簡稱元王）成立于2007年，是一家以計算機輔助工程CAE為主業(yè)，以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集CAE咨詢、CAE培訓、CAE軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。 依托深厚的CAE技術(shù)背景和工程經(jīng)驗，為客戶提供高水平的CAE工程咨詢服務(wù)，為企業(yè)創(chuàng)造價值。更多仿真案例，歡迎訪問【元王仿真云】，服務(wù)仿真，助力設(shè)計，專業(yè)為你！
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