3D科學(xué)谷洞察

輕量化是提高無人機續(xù)航能力的關(guān)鍵因素之一，通過3D打印實現(xiàn)的輕量化設(shè)計，能夠使無人機在相同的動力系統(tǒng)下飛行更遠(yuǎn)的距離。例如，采用3D打印技術(shù)制造的無人機機架，可使無人機的飛行效率、穩(wěn)定性和續(xù)航能力得到提升。減輕無人機自身重量后，可相應(yīng)增加其載重能力。這對于執(zhí)行物流運輸、農(nóng)業(yè)植保等任務(wù)的無人機尤為重要，能夠提高其作業(yè)效率和經(jīng)濟效益?！?/p>

基于變密度法的SLM增材制造

無人機承載接頭結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

原帥超、王建峰、段宇航、郝璐靜、占小紅

南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

針對某大型無人機機身輕量化需求，以選區(qū)激光熔化（Selective laser melting, SLM）制造的承載接頭結(jié)構(gòu)為研究對象建立有限元模型，基于ANSYS Workbench計算接頭結(jié)構(gòu)在不同極限工況下的強度、剛度性能，并根據(jù)材料最大許用應(yīng)力準(zhǔn)則進行校核.采用拓?fù)鋬?yōu)化變密度法，以應(yīng)力最小化為目標(biāo)、保留質(zhì)量40%為響應(yīng)約束，對接頭結(jié)構(gòu)進行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計兩種重構(gòu)方案并進行靜力學(xué)驗證.

結(jié)果表明，兩種模型重構(gòu)方案分別減重了13.8%和13.3%，在輕量化程度相近的情況下，方案Ⅱ明顯具有更小的應(yīng)力分布以及變形程度，即最優(yōu)重構(gòu)方案成功實現(xiàn)輕量化設(shè)計，與原結(jié)構(gòu)件相比質(zhì)量減輕13.3%，且相較于其他方案承載能力最強，滿足靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求.為大型無人機承載接頭結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低成本、輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計探索了新的途徑.

增材制造技術(shù)在飛行器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用需求分析

時光輝1,2武文華1陶然3羅俊榮3林曄2李強2林曉虎4孫齊東3

1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室2.北京機電工程研究所結(jié)構(gòu)強度與動力技術(shù)研究室3.北京理工大學(xué)先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院4.陸軍航空兵學(xué)院航空機械工程系

未來先進飛行器的研制，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在功能和性能上均提出更高的要求，表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的承載功能一體化、智能化、輕量化、承載效率提升等方面的需求，因此需要與之匹配的先進制造手段作為支撐。增材制造由于其在宏微觀復(fù)雜結(jié)構(gòu)研制、小批量柔性生產(chǎn)、高效率快速響應(yīng)等方面的天然優(yōu)勢，成為未來支撐先進結(jié)構(gòu)研制的先進制造方式之一。首先以飛行器承載結(jié)構(gòu)為研究對象，分析各個部分的主要材料體系以及各個部分可能的增材制造應(yīng)用前景，對現(xiàn)有的增材制造與飛行器結(jié)構(gòu)研制的結(jié)合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化性能提升、復(fù)雜構(gòu)件制備、快速原型機研制方面進行綜述分析。進一步，通過具體的工程需求分析，闡述飛行器結(jié)構(gòu)在新材料、優(yōu)化設(shè)計、制備、維護/維修、成本控制等方面對增材制造的需求，為增材制造技術(shù)在飛行器承載結(jié)構(gòu)和非承載功能結(jié)構(gòu)技術(shù)上推廣應(yīng)用提供支撐和參考。

可編程3D打印的非對稱雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器性能研究

張海彬、李康康、汪御飛、陳淵博、王光慶

浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院(薩塞克斯人工智能學(xué)院)

物聯(lián)網(wǎng)中海量低功耗無線傳感器的自供電問題是微電子技術(shù)領(lǐng)域的熱點問題，至今未得到很好的解決。傳統(tǒng)磁耦合式雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器由于頻帶窄、效率低等缺陷無法滿足低功耗無線傳感器的自供電需求。為了提升雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器的綜合輸出性能，本文設(shè)計了一種可編程3D打印的非對稱雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器，利用可編程設(shè)計和3D打印制作的非對稱勢能阱軌道結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非線性排斥力，激發(fā)懸臂梁產(chǎn)生大幅值的阱間運動，從而提升壓電振動能量采集器的工作頻帶和發(fā)電效率。利用哈密頓能量法和拉格朗日方程建立了雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器的非線性機電耦合動力學(xué)方程，仿真和試驗研究了不同勢能阱軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓電振動能量采集器動態(tài)輸出性能的影響。研究結(jié)果表明：設(shè)計的三種可編程軌道結(jié)構(gòu)壓電振動能量采集器的工作頻帶分別為4.6,2.6和1.7 Hz，歸一化功率輸出密度分別達(dá)到16.163,15.6和14.151 mW·cm-3·g-2·Hz-1，滿足低功耗無線傳感器的自供電要求。本文所提出的3D打印可編程設(shè)計方法靈活簡便，用戶可以根據(jù)不同的傳感器外部環(huán)境定制個性化的非對稱/對稱型多穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器。

激光增材制造無人機框梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計及剛度分析

郝璐靜、原帥超、王建峰、段宇航、占小紅

南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

目的以選區(qū)激光熔化成形（SLM）無人機接頭框梁結(jié)構(gòu)為研究對象，研究不同工況條件下零件的變形分布情況，對原零件進行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化后的零件進行二次靜力學(xué)驗證。方法以AlSi10Mg鋁合金粉末為原材料，利用Ansys Workbench軟件的Mechanical模塊對SLM成形接頭零件4種工況下的靜力學(xué)剛度行為進行有限元仿真。采用變密度法進行拓?fù)鋬?yōu)化，以剛度最大化為目標(biāo)、保留質(zhì)量40%為響應(yīng)約束進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖設(shè)計孔洞位置及尺寸，對模型進行重構(gòu)，并在Ansys Workbench軟件中進行二次靜力學(xué)剛度仿真。結(jié)果在4種工況條件下，接頭零件彎曲時最大位移位置在上耳片邊緣，除工況A外，其余工況均呈現(xiàn)沿z軸正向變形的趨勢。在工況B下，總變形最大為0.289 mm，優(yōu)化后為0.626 mm。優(yōu)化后的零件使上、下耳片變形程度差異顯著減小，最大變形差由0.128 mm減至0 mm。結(jié)論不同位置接頭零件的變形演變規(guī)律不同，幾乎不存在扭轉(zhuǎn)變形，主要是框梁結(jié)構(gòu)的豎直彎曲變形，經(jīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后零件變形總體趨勢并未改變，但整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和一致性得到了顯著提高。

疊層式介電彈性體人工肌肉驅(qū)動器:設(shè)計、制備與柔性驅(qū)動應(yīng)用

馬文濤1,2王海天1,2孫文杰3湯超4曹崇景5高興5劉磊6李博1,2陳貴敏1,2

1. 西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院2. 西安交通大學(xué)陜西省智能機器人重點實驗室3. 西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院4. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院5. 中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院6. 西北工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院

介電彈性體驅(qū)動器(Dielectric Elastomer Actuator, DEA)具有可與自然肌肉相媲美的優(yōu)異驅(qū)動特性,近些年成為了柔性驅(qū)動領(lǐng)域的研究熱點之一.鑒于單層DEA存在輸出力小、易失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)剛度低,需要預(yù)拉伸維持的問題,疊層式介電彈性體驅(qū)動器(Multi-Layered Dielectric Elastomer Actuator, MDEA)應(yīng)運而生.本文歸納了現(xiàn)有的MDEA材料的特性,總結(jié)了疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制備方法,并對其性能進行了比較和分析;介紹了多種適用于MDEA的柔性電極以及對應(yīng)圖案化制備方法;最后對MDEA在柔性器件以及機器人驅(qū)動中的應(yīng)用進行介紹.隨著技術(shù)的發(fā)展,高性能的MDEA勢必成為人工肌肉的重要組成部分,并將支撐軟體機器人領(lǐng)域的進一步發(fā)展.

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