印度浦那 MIT 使用 Inspire 设计无人机配件

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行业：教育/无人机

挑战：设计、制造并测试使用拓扑优化技术完成减重和增加强度的四旋翼无人机

Altair 解决方案：使用 solidThinking Inspire，制造了两个全新的轻量化 3D 打印零部件，新部件优化了无人机的设计空间。

优点：成功实现了拓扑优化技术和3D打印的协同；在制造的两个机身的测试中都观察到稳定的飞行特性；大幅缩短设计时间；必要部件的数量从六个减到一个；与初始基础模型相比，平均减重32%

背景介绍

成立于1983 年的浦那马哈拉施特拉理工学院（MIT），是印度顶尖的理工类院校。马哈拉施特拉理工学院的教学理念是为学生提供优良的资源和环境，以便他们在面对当下社会中最具挑战性的工程问题时，能够成功地处理并找到对应的解决方案。

Arnab Chattopadhyay, Vishal Bagthadia, Sanat Munot 和 Sumod Nandanwar 是 MIT 的本科生团队，在浦那 MIT 副教授 Mr. Girish S. Barpande 的指导下，致力于完成他们的毕业研究项目，即“无人机的拓扑优化”。此外，该团队还和 Mr. Chaitanya Kachare 紧密合作，Mr. Chaitanya Kachare 是 MIT 设计学院（MIT Pune 的姊妹单位）的交通设计副教授，并指导该团队在毕业设计中遇到的增材制造和设计美学的难题。

当该团队在设计无人机时，必须考虑很多因素。然而，飞行器无人驾驶的特点，已为他们消除了许多设计上的限制，这使得设计过程更加自由。在该设计系统中使用拓扑优化技术有助于提高设计自由性，而设计过程更自由往往能够快速提升飞行器性能。

该团队的项目目标是设计、制造并测试四旋翼无人机。Vishal 首次了解到 Inspire 软件是在马哈拉施特拉理工学院的 SAE 方程式队 Accceleracers 中,使用拓扑优化技术完成了对各种汽车零部件的优化过程。他很有信心 Inspire 将会提供简捷且快速的解决方案来实现增强四旋翼无人机所需的结构改进。

由于拓扑优化产生最优化的设计，Sanat 对于拓扑优化和增材制造之间的协同性很着迷，但是，当没有添加制造限制时，设计过程很快就会变得非常复杂，使用减材制造会使制造这些设计的过程非常困难，而且成本高昂。增材制造有助于消除这些制造限制，而且不论设计多么复杂，增材制造都能生成最优化结果。

解决方案

为了实现最佳性能，该团队根据电子、元器件和有效载荷的设计计算和封装空间，开始采用简单的单体机身结构。两种方法的设计理念： 1.第一个设计方法中，Inspire 拥有最大化设计空间。运行完初始优化后，学生们用运算结果来创建下一次迭代分析的设计空间。该迭代过程被称为多阶段优化过程。

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初始 CAD 模型为了进一步优化调整设计运用 Inspire 设计载荷空间机身的 Inspire 优化结果

2.第二个设计方法以无人机基础力学为原理的简约设计，运用 Inspire，该简约设计的空间直接得到了优化。

设计初始设计载荷空间优化结果应力分布位移图

在设计工作流程中，载荷情况的准确性对团队而言至关重要。通过对一架与原型相似的机体进行实时测试，验证了这一点。通过收集的数据，两种设计方法在 Inspire 中都可以准确完成建模，然后进行拓扑优化。Inspire 易用的界面和工作流程帮助团队更专注于迭代分析，而不是设置模型，来获得更好的结果。此外，Inspire 中的形状控制工具帮助团队保持模型主轴的对称性，在设计多翼无人机时，这点非常关键。该团队甚至使用Inspire 很容易和准确地分析后优化模型。两种方法的优化设计完成后，通过使用 PolyNURBS 工具，去除尖锐轮廓和应力集中点，对模型进行改进，为下一步制造做好了准备。PolyNURBS 工具使团队能够以精确和高效的方式获得最接近拓扑优化结果的实体模型。根据 Inspire 优化结果重新设计零件后，下一步是制造零件。

使用 PolyNURBS 工具改进之后的两个机身效果图

一旦无人机根据 Inspire 优化结果重新设计，下一步就是着手制造这种单壳式设计。该团队得到了浦那 DesignTech Systems 公司的支持，DesignTech Systems 公司是一个领先的 CAD/CAM/CAE/PLM，增材制造技术和解决方案供应商，以及为 Stratasys 3D 打印机和 Altair/solidThinking 解决方案提供附加价值的代理商。

DesignTech Systems 使用 Stratasys 的 ABS M30 来帮助团队制作测试样品和最终设计。Stratasys 通过其位于班加罗尔的体验中心的 Fortus 450 MC 来 3D 打印零部件，来进一步协助团队完成任务。 Chaitanya 教授赞同 Inspire 是完成项目的完美工具。“Inspire 是一个颠覆传统型，用户友好型平台，让设计工程师、工业设计师、建筑工程师通过单一的工具自动生成、仿真并合成 CAD，来自动生成其迭代设计过程，从而实现可持续设计，缩短交货时间，降低成本和减少材料消耗。”

结论

3D 打印完成机身之后，该团队进行了多次战斗测试，用以测试机身的强度和飞行特性，飞行非常平稳，无人机经受了多重碰撞测试，安然无恙。