基于拓扑优化的无人机机翼增材制造接头结构轻量化设计

段宇航，王建峰，郝璐静，原帅超，占小红（南京航空航天大学, 材料科学与技术学院）

摘要： 为实现大尺寸无人机机翼接头结构在轻量化、高强度与增材制造可行性之间的多目标协同优化，创新性地提出一种融合自支撑工艺约束的拓扑优化与静力学迭代协同设计方法. 基于选区激光熔化(SLM) 技术特性，采用变密度法(SIMP) 对Al-Mg-Sc-Zr 高强铝合金接头壁板进行拓扑优化，首次引入悬挑角θ≥45°的工艺约束，以应力不超过180 MPa 为强度目标、重量减少60% 为轻量化约束，实现了结构性能与制造可行性的同步优化. 通过有限元分析验证，优化后接头重量降低13.78%，最大等效应力由183.251 MPa 降至175.451 MPa(降幅4.4%)，应力分布更趋合理；最大变形量0.079 mm，仍满足0.1 mm 的变形极限. 结果表明，通过结构—工艺协同设计，实现了轻量化与承载性能的同步提升，为无人机承力构件"设计—制造一体化"提供了创新方法与实践依据.创新点： (1) 提出融合自支撑约束的拓扑优化方法，实现结构与工艺协同设计.建立性能与工艺适配策略，通过拓扑优化实现轻量化与应力优化.

关键词： 增材制造；无人机；拓扑优化；静力学分析；有限元模拟