有限元分析方法在无人机结构设计中的应用

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在工业4.0的大背景下，智能制造时代已悄然来临。为提高效率，降低成本，在产品设计之初就能对产品的技术性能有较为准确的预测，有限元法 (Finite Element Method, FEM) 在智能制造时代扮演的角色越来越受到人们的重视。

目前，有限元分析法已从解决产品设计生产过程中的单一问题的工具，逐渐发展成为从产品概念设计开始，到产品详细设计、产品生产过程设计、产品运行过程监控仿真的产品全生命周期仿真优化设计平台。

有限元法兴起于20世纪50年代末，是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，最初主要用来求解飞机结构的静力及动力特性。随后应用范围很快扩展到热力学、电磁学、流体力学等，连续性物理问题。

有限元分析法的求解思想就是将复杂问题区域进行离散化分割，分割成许多子区域，对每个子区域进行求解，得到近似解，再通过变分使得误差函数达最小值，此时便得到了整个问题区域的近似解。

某导弹舱段的简化模型及离散化有限元网格模型

有限元的求解思想与我国古代数学家刘徽通过“割圆术”求解圆周率的思想有异曲同工之妙，将圆分割的份数越多，圆内接多边形的面积越接近圆的面积。

割圆术示意图

实际工程问题大多都十分复杂且难以得到精确解，而有限元技术不仅计算精度高，还能求解各种复杂形状和不同物理场，因此很快成为一种解决实际工程问题的行之有效的方法。

如今随着计算机技术及计算数学的发展，各种商用有限元计算软件层出不穷，商用有限元计算软件的操作也越来越人性化。目前较为常用的有限元分析软件有ANSYS、Abaqus、Patran/Nastran，这几款软件基本功能大多相同，但又各有所长。

ANSYS
ANSYS以压力容器计算出生，在收购了一系列流体、电磁等领域专业软件后，目前应用领域包括结构力学、流体力学、电路学、电磁学、热力学、声学、化学化工反应等，在多物理场耦合方面具有较大优势。

ANSYS 多物理场耦合分析

ABAQUS
ABAQUS以求解非线性问题见长，应用领域包括结构力学、非线性动力学、海洋工程结构分析、水下冲击分析、柔体多体动力学、热传导等。

ABAQUS 冲击分析

Patran/Nastran
Patran/Nastran出生自NASA，是一款大型通用结构有限元分析软件，主要应用于航空航天领域，在线性有限元分析和动力学计算方面具有优势，此外求解器求解效率要高于ANSYS。

Nastran 飞机发动机叶片显式非线性分析

在无人机结构设计中，从方案设计到结构细节设计，从静力学分析到结构动力学分析，从结构工艺设计到疲劳寿命预测，有限元法已渗透到无人机结构设计的各个环节，主要可总结为以下几点：

1、总体方案设计阶段
在无人机总体方案设计初期，需要快速的计算验证和反复迭代改进，最终确定满足设计要求的总体结构方案，而此时利用有限元法对简化的总体结构模型进行计算验证，能够很快的得到计算结果，验证方案可行性。

2、细节结构设计阶段
利用有限元法，对无人机结构进行静力学结构静力学计算、模态分析、动响应分析、结构热变形及热应力分析等，结构设计人员能够快速得知所设计无人机细节结构的可行性并进行迭代优化设计。

3、结构工艺成型设计阶段
此阶段可以通过现成的工艺设计有限元软件对无人机结构工艺方案进行设计，尤其对于机身有复合材料结构件的无人机，复合材料部件工艺方案设计的好坏将直接影响无人机的整体性能。

以复合材料结构件成形工艺中的树脂传递模塑 (RTM) 成型工艺为例，大型结构件一体成型时，事先对树脂充型过程进行有限元模拟，能够指导工艺设计人员合理的安排布置树脂导流管及树脂出入口以避免干斑的出现。

复合材料船体结构RTM成型工艺仿真

4、后期力学实验阶段
由于无人机上搭载着多种传感器与电子设备，无人机结构设计完成后，需要进行整机力学实验以验证整机结构，此时对整机进行有限元分析，能够预测无人机上各设备的力学环境，获得整机及设备在不同频率下的振动响应趋势，这些信息对于整机力学实验具有重要的参考价值。

5、无人机使用维护阶段
关键部位零部件疲劳寿命预估及使用过程中局部损坏结构的损伤分析，能够使无人机维护人员提前发现潜在危险并及时采取措施，最大限度降低无人机由于疲劳及结构损伤造成的经济损失。

来源：猛飞的野猪微信公众号（ID：SoaringBoar），作者1900℃。