如何优化碳纤维无人机的铺层设计？
江苏博实科技：碳纤维复合材料相比传统金属材料,具有密度小、比强度高、比模量高、良好的抗疲劳特性和抗震性能等，并且具有良好的可设计性，在航空领域中应用越来越广泛。碳纤维复合材料具有材料和工艺的可设计性，不同的铺层角度和不同的铺层顺序，其力学性能完全不一样。当结构各位置受力差异较大时，在复合材料层合板的不同位置改变局部的铺层层数和铺层顺序就显得尤为重要。
无人机是一种各位置受力差异较大的结构，并且轻量化要求高,因此研究非均匀铺层优化设计方法对机身的设计非常重要。博实以某款无人机的机身设计铺层优化设计为阐述对象，给大家做个简单的介绍。
一、设计工况
在无人机的飞行过程中，最严重工况是飞行过程中电机突然停转，飞控手立即把电机加到最大功率，以此工况为设计工况。无人机满载15.5kg，每个电机最大升力为82.5N。在设计工况下，无人机没有约束，采用线性静力分析无法平衡外载荷，所以需要采用惯性释放分析。在惯性释放分析中，先计算外力作用下结构的加速度,然后把惯性力分布在整个结构上与外载荷平衡，提供一种稳态的应力和变形。
二、铺层优化设计
为了能够充分的实现碳纤维复合材料的性能，用非均匀铺层优化设计方法对无人机机身进行铺层优化设计。该方法分为三步，优化设计的第一阶段采用OptiStruct开展自由尺寸优化,优化每个单元每一个纤维方向铺层的厚度，确定碳纤维复合材料每一个纤维方向铺层的厚度分布。第二阶段采用OptiStruct开展尺寸优化，优化每个纤维方向铺层的厚度，确定每个纤维方向铺层层数。第三阶段采用OptiStruct开展铺层顺序优化,使铺层顺序满足铺层设计要求,获得最终铺层方案。
优化后共创建了0°铺层14层，45°铺层6层，-45°铺层6层，90°铺层22层。铺层相对层合板的几何中心面对称，铺层厚度分布相同，每个纤维方向铺层的最小比例大于10%，每个纤维方向铺层厚度分布左右、前后对称。表面的铺层纤维方向为±45°，从而实现无人机外壳的质量最小。在满足力学性能和工艺性能要求下，采用非均匀铺层优化设计方法设计的铺层方案比采用均匀铺层优化设计方法设计的铺层方案轻了0.97kg，减重率高达50%。
江苏博实碳纤维可按照客户图纸开发制造碳纤维轻量化无人机配件，包括机身、起落架、机壳等，表面光洁、纹路平整，能够印刷logo，可定制颜色，还能提供与金属连接装配技术。
阅读延伸：《碳纤维复合材料在无人机上的应用》