轻量化设计作为机械制造业的长远目标,对受力复杂的涵道无人机螺旋桨而言,轻量化设计在提升运行效率、增加飞行时长以及增加附加载荷方面具有重要意义。涵道与螺旋桨曲面形状复杂,传统加工方式如模压成型法、数控加工法工序复杂,且轻量化程度低。考虑到增材制造加工方式的优势,可对无人机涵道及螺旋桨进行轻量化设计,并对其进行动力学性能分析及增材制造仿真研究。论文主要内容如下:首先,通过对涵道无人机目前续航时间低、机器本身重量大造成负载量有限等工作条件分析,确定了涵道及螺旋桨的翼型型号并进行参数化设计。利用翼型软件与建模软件确定涵道、叶片及螺旋桨尺寸参数并建立初步模型。涵道螺旋桨轻量化设计包括涵道和叶片两部分,选定零部件材料为高韧性环氧树脂,对于同一模型,选用树脂材料比金属材料在满足性能要求前提下可减轻一半重量。本文主要研究结构轻量化,对涵道和螺旋桨叶片进行空心化设计,针对强度问题,对叶片进行强化设计,在空心叶片内腔设计加强筋加固,设置不同位置加强筋和不同数量加强筋。对轻量化叶片进行有限元应力分析,模拟计算叶片受到表面压力和不同转速下的受力情况,结果表明不同位置处加强筋和加强筋数量对叶片强度具有不同程度影响。其次,对轻量化设计的涵道和螺旋桨进行空气动力学性能分析。利用CFD数值模拟手段模拟计算了实心涵道、空心涵道、实心单螺旋桨、空心单螺旋桨、实心涵道螺旋桨整体和空心涵道螺旋桨整体在无人机转速在3000-8000rpm下,不同来流速度的拉力及功率情况,经过对比计算数据证明轻量化的涵道及螺旋桨在气动性方面优于实心体。最后,对轻量化设计的涵道螺旋桨进行增材制造有限元仿真。模拟计算增材制造过程中由于熔池温度变化引起的残余应力变形,对轻量化涵道及叶片变形量较大处进行再优化使涵道与叶片变形量降低。综上所述,本文通过对涵道及螺旋桨进行参数化建模、对涵道和叶片有限元分析、进一步结合增材制造加工优势进行轻量化设计,最后通过有限元增材制造仿真模拟分析加工过程中温度引起的残余应力变形。实现了涵道螺旋桨的轻量化设计,为进一步研究空心结构和薄壁件新型加工方式的轻量化设计提供理论研究方法。