四旋翼无人机结构仿真分析

本案例用SIMSOLID对四旋翼无人机进行了三种常用的结构分析仿真：

1. 模态分析；

2. 静力加载；

3. 瞬态冲击响应（模态叠加法）

并且用Abaqus对计算结果进行了对比，结果表明，SIMSOLID对于这类典型的结构分析，其效率是远远高于传统有限元软件的（几分钟vs 大半天），且计算结果也能很好的反映实际的物理现象，但精度方面仍需更多验证。

但由于其易用性和高效率，很容易被普通设计师（并非专业仿真工程师，甚至无需具备仿真基础）掌握，因此用来作为一个设计早期结构的快速验证、寻找薄弱点、对不同设计方案进行对比，这都是一个非常高效实用的工具。

如下图所示，可以看到模型上细节特征还是比较多的，面板上凹凸不平的小台阶和凹槽和镂空的悬臂，都给网格划分带来麻烦，如图2所示，在传统的有限元软件中这些区域必须进行几何清理，否则会有错误提示。

图 四旋翼无人机3D模型（右图是分别导入到SIMSOLID与ABAQUS中）

图 在传统有限元软件中，必须进行几何清理，否则会出现错误提示

而导入SIMSOLID直接略过了网格划分的步骤，并且在导入时就会询问是否需要对未连接区域建立Connection, 直接勾选Yes, 就可以建立螺钉的连接了（如下图所示）

 图 SIMSOLID中自动创建Bonded Connection连接螺钉

仿真分析结果：模态分析

下图展示了前三阶模态振型，其中左边是SIMSOLID的结果，右边是ABAQUS的结果，可见振型是相当一致的：

• 固有频率

SIMSOLID和ABAQUS计算的前十阶固有频率如下：

SIMSOLID的频率整体偏高十几个HZ, 并且随着频率的增加，差异有逐渐增大的趋势。

当然，ABAQUS的计算结果实际上和网格划分及单元选择有关，这里我们划分了较为密集的网格，且单元类型采用的是2阶单元（C3D10M）, 网格数量总计157904，节点数总计249827，因此对应的计算时间和占用的内存是远远大于SIMLAB的，如果电脑性能不够，此时完全无法进行其他工作。

实际上，如果在ABAQUS中换用更粗糙的网格，或者选用一阶单元，计算的频率也会比当前高，从而更接近SIMSOLID的结果，因此，从效率的角度出发，SIMSOLID的确非常高效的给出了一个精度尚可的结果，在计算时，也完全不影响电脑性能，从而仍能顺畅的进行其他的工作。

静载强度分析

固定底部面板，悬臂末端加载10N的竖直方向的静力荷载，如下图所示：

SIMSOLID和ABAQUS的位移及Mises应力云图如下图所示：

从位移来看，SIMSOLID悬臂顶端最大位移为8.6mm, 而ABAQUS的计算结果为11.75mm；从应力来看，ABAQUS的应力值也略高于SIMSOLID的计算结果。

实际上，如前所述，计算结果的精度和付出的计算成本是分不开的。为做进一步的验证，在ABAQUS中对不同网格密度、不同单元类型计算的结果进行了对比，可见，当网格加密或使用了高阶单元时，最大位移的结果逐渐增加至~12mm。

而SIMSOLID的计算结果更接近网格尺寸相对不那么密时的一阶单元的计算结果，若是综合考虑效率来说，SIMSOLID的精度结果是可接受的。

当然，并不能通过此例就说明SIMSOLID所有计算结果就一定刚度偏大，这是和具体模型具体问题相关的，实际上对一个特别简单的悬臂梁进行对比（ABAQUS中单元类型为C3D8R）,SIMSOLID和ABAQUS的分析结果几乎是无差别的（最大位移分别为0.964mm和0.973mm）：

瞬态冲击响应（模态叠加法）

在SIMSOLID中进行瞬态冲击响应的分析，过程很简单：只需设置力作用的位置和大小（这里是悬臂末端100N）、幅值曲线（如下图为总计1s的一个三角形的幅值曲线），并设置总的计算时长即可（这里设置为5s），该计算是基于模态计算的结果通过线性叠加得到的。

由上图可以看到，在这样的瞬态冲击力作用下，悬臂根部已经出现了较大面积的屈服应力，这对设计有一定的指导意义，而整个计算过程却不过数秒钟。

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