技术分享 | 如何在无人机设计中运用拓补优化技术？

在本篇文章的开始，我想先给大家看几张图片，请你思考一下如果使用传统的建模方法有可能绘制出来类似的图形吗？

你知道这些充满未来科技感的结构是怎么设计的吗？

结构设计在我们的生活中随处可见，从古至今，结构设计都与我们息息相关，生活中也随处可见结构设计的影子，大到建筑，桥梁，小到家具，玩具，都离不开结构设计。

伴随着计算机技术的飞速发展，结构设计也由传统的纸笔手绘草图演变到现在的计算机辅助设计【CAD】，产品设计速度和系统复杂度也越来越高，那么在这时候我们不禁会思考一个问题，有没有可能让计算机替代部分的人工设计工作呢？

自此，拓补优化技术便逐渐开始发展和普及，那么，什么是拓补优化技术呢？

拓补优化技术是用来帮助设计师在保证零件性能的前提下，降低零件的重量。拓补的计算理念主要有以下几种：均匀化法，变密度法、渐进结构优化法，（ESO）水平集方法等。较常用的拓补研究采用的是变密度法，将从有限元网格中“移除”元素(相当于密度为0)，直到达到你所设定的性能值。

简而言之，拓补优化就是说在保证零件整体性能的前提下对零件进行优化，以降低零件的重量和物料成本。

在以前，设计一个承重结构件，在决定如何设计时更多的是依靠实验或者是设计师的从业经验，再到后来随着仿真技术的发展，设计师已经可以依靠仿真技术来获取更为精准的力学模型，但这还是不够方便，因为仅仅是后期优化的技术多了一些，并没有真正改变传统的设计流程，但拓补优化技术的出现则改变了这一流程。

下面这张图可以帮助大家更方便的理解拓补优化技术对于设计领域的巨大意义

在了解了什么是拓补优化技术后，现在我就带大家进行一次实操，看一下拓补优化到底是怎么做的。

这次我们来做一个无人机摄像头支架的拓补优化，我们本次的优化目标是在保证零件整体强度的前提下尽可能的减少整体质量

第一步：

先建立一个初始模型，需要优化的地方我们将其称之为“设计空间”，其他不需要优化的地方称作:“非设计空间”。

第二步：

施加应力和固定约束，并选择与之对应的材料，并在此处加入形状控制。设置连接方式与接触类型，接触类型可以根据实际情况来灵活调整。

第三步：

配置运行前准备，并选择优化目标，假如零件不在特殊工况下工作，则可以不设置频率约束，我们可以选择在本地运行优化或者导出后使用云平台进行优化。

PS：电脑性能比较差的小伙伴尽量别在本地运行，因为软件会占用大量的系统资源进行运算，如果电脑性能比较差的话在这一步会耗费非常久的时间，且有可能因为电脑性能孱弱导致软件闪退。

第四步：

查看优化结构并进行细节调整。在经过一段时间的运算后我们已经得到了优化结果，这时拓补优化后的结果就已经呈现在了我们面前，这也就是我们篇首提到的有机形状。

第五步：

应力分析及细节调整。在这一步仿真结果已经出来了，在此界面我们可以获取到很多至关重要的信息，可以获取到如位移，安全系数，屈服百分比，拉伸、压缩、最大切应力、米塞斯等效应力等等诸多仿真结果。但由于篇幅有限，我们将应力分析这一部分放到下一节再讲。这张GIF动图可以更直观的展现仿真结果。

第六步：

零件细节调整及生产文件导出，由于此处涉及到的内容比较多，也比较复杂，我们将此部分内容放到了下节讲解。

想学习更多拓补优化知识的小伙伴可以关注我们阿木实验室，近期我们将会推出一些经过拓补优化后的产品，方便大家进一步的学习，我们后续会分享更多行业前沿的干货给大家，我们也支持结构定制和结构优化工作，欢迎合作沟通与项目洽谈。

作者：阿木实验室-张子超

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