仿真保設(shè)計丨從無人機(jī)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(zhǔn)確的預(yù)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(jì)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(fù)雜問題區(qū)域進(jìn)行離散化分割，分割成許多子區(qū)域，對每個子區(qū)域進(jìn)行求解，得到近似解，再通過變分使得誤差函數(shù)達(dá)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(jī)結(jié)構(gòu)的靜力及動力特性。隨后應(yīng)用范圍很快擴(kuò)展到熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等，連續(xù)性物理問題。
接下來就以無人機(jī)振動有限元分析為例，看元王CAE仿真如何驗證無人機(jī)機(jī)身及機(jī)翼等部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。
FEA模型
分析條件
無人機(jī)前后三電機(jī)處約束固定，給整機(jī)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(jī)）進(jìn)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(jī)在1g的加速度激勵下進(jìn)行振動分析，前后機(jī)翼、機(jī)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(fēng)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(xì)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從方案設(shè)計到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計，從靜力學(xué)分析到結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，從結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計到疲勞壽命預(yù)測，有限元法已滲透到無人機(jī)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(jī)總體方案設(shè)計初期，需要快速的計算驗證和反復(fù)迭代改進(jìn)，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(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)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(jī)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的可行性并進(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)工藝方案進(jìn)行設(shè)計，尤其對于機(jī)身有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的無人機(jī)，復(fù)合材料部件工藝方案設(shè)計的好壞將直接影響無人機(jī)的整體性能。
以復(fù)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(jìn)行有限元模擬，能夠指導(dǎo)工藝設(shè)計人員合理的安排布置樹脂導(dǎo)流管及樹脂出入口以避免干斑的出現(xiàn)。
4 后期力學(xué)實驗階段
由于無人機(jī)上搭載著多種傳感器與電子設(shè)備，無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，需要進(jìn)行整機(jī)力學(xué)實驗以驗證整機(jī)結(jié)構(gòu)，此時對整機(jī)進(jìn)行有限元分析，能夠預(yù)測無人機(jī)上各設(shè)備的力學(xué)環(huán)境，獲得整機(jī)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(jī)力學(xué)實驗具有重要的參考價值。
5 無人機(jī)使用維護(hù)階段
關(guān)鍵部位零部件疲勞壽命預(yù)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(jī)維護(hù)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(jī)由于疲勞及結(jié)構(gòu)損傷造成的經(jīng)濟(jì)損失。
仿真保設(shè)計，除了無人機(jī)，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(hù)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(jī)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(xùn)、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！
海量仿真分析教程免費看
