仿真保设计丨从无人机振动分析看有限元分析法在设计中的应用
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，有限元分析法在智能制造时代扮演着越来越重要的角色。
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。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。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。
接下来就以无人机振动有限元分析为例，看元王CAE仿真如何验证无人机机身及机翼等部件的结构强度是否满足设计要求。
FEA模型
分析条件
无人机前后三电机处约束固定，给整机施加一个1g的加速度激励（激励施加于约束固定点处，由固定点处传递到整机）进行振动分析，如下所示，分别模拟X、Y及Z方向。
分析结果
分析结果（振动，X方向）
分析结果（振动，Y方向）
分析结果（振动，Z方向）
结论
无人机在1g的加速度激励下进行振动分析，前后机翼、机身及连接组件的最大等效应力均低于所用材料屈服应力，连接可靠，无屈服失效风险。
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。
而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：
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。
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。
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。
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。
仿真保设计，除了无人机，针对其他产品也是一样！有限元分析在产品设计优化维护各个阶段都可以发挥重要作用。深圳市有限元科技有限公司（简称元王）成立于2007年，是一家以计算机辅助工程CAE为主业，以工程仿真软件开发为核心，集CAE咨询、CAE培训、CAE软件研发与销售为一体的高科技企业。 依托深厚的CAE技术背景和工程经验，为客户提供高水平的CAE工程咨询服务，为企业创造价值。更多仿真案例，欢迎访问【元王仿真云】，服务仿真，助力设计，专业为你！
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