聚焦无人机的发展历程，续航能力是限制其进一步发展的主要因素，而续航能力主要受自重和能源制约。基于限定的能源密度，增加能源体积才能够获得更长的续航时间，而增加能源体积的同时无人机的体积也增大，从而增加无人机的质量。实现无人机轻量化的需要实现整体成型，同时需要兼顾无人机壳体材料的性能，例如材料的强度、韧性、耐候性等特性，能够有效防止跌落等情况对机体的损伤，增强机体的抗冲击性能等[1-2]。结合材料实际需求，采用微发泡注塑成型工艺和玻纤复合材料[3]。无人机的种类较多，其中微型无人机是重要的分支，其机身质量较小，但是也需要通过轻量化改善其续航能力。玻纤增强聚丙烯(GFPP)材料具有质量轻、强度高、韧性好、抗疲劳能力强等特点，能够适应复杂的工况，整体成型程度好[4-5]。而微发泡注塑成型工艺在熔体中注入超临界流体，使熔体中形成众多成核点，泡孔快速成核长大，减小制品内部的残余应力，平衡熔体的收缩，从而实现制品轻量化，同时也使制品具有较好的尺寸稳定性[6]。利用模流分析软件通过控制工艺参数，实现制品轻量化，使制品具有良好的尺寸稳定性，减少试错成本，提高企业效益，还可以明显提高制品的品质。本实验选择无人机机身中上盖外壳作为研究对象，基于微发泡注塑成型工艺，探究成型工艺对无人机机身的减重效果。利用单因素试验结果，结合正交试验，探究最优参数组合，达到最优的减重效果。1无人机机身的结构分析图1为无人机机身的上盖外壳模型。无人机机身中间部分装控制器等元件，周向四个翼装结构主要用于固定风扇等传动装置。无人机机身需要具有较好的强度、较轻的质量、较低的翘曲变形量，以满足工作性能和高精度的装配性能。选择玻纤增强聚丙烯(GFPP)为无人机机身材料，GFPP具有强度高、抗冲击韧性好、耐热性好，工作温度范围宽[7]。采取微发泡注塑成型工艺，而玻纤在成型过程中可以作为异相成核剂，促进泡孔实现异相成核，从而使制品的泡孔结构更细密有规则。考虑无人机机身实际的工况，减重幅度需要达到无人机机身上盖外壳的5%，才能够进一步提高无人机的续航能力。图2为网格划分结果。经过优化的网格平均纵横比为1.96，网格匹配百分比为92.4%，可以进行模流分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F001图1无人机机身的结构模型Fig.1Structural model of the UAV fuselage10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F002图2无人机机身的网格划分Fig.2Meshing of UAV fuselage2无人机机身的CAE工艺性分析2.1无人机机身的浇口位置分析图3为无人机机身的流动阻力指示器。从图3可以看出，红色区域流动阻力最大，蓝色区域流动阻力最小。最优浇口位置如蓝色区域，分布在机身主体与边梁结合处。由于无人机结构复杂且壁薄，故采用一模一腔四点浇口。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F003图3无人机机身的流动阻力指示器Fig.3Flow resistance indicator of UAV fuselage2.2无人机机身冷却系统设计基于无人机机身复杂的结构，在机身模型上下两侧等距放置两组水管，冷却水道直径Ф=6 mm，20 ℃的水作为冷却介质，回路雷诺数默认为10 000。图4为无人机机身的冷却系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F004图4无人机机身的冷却系统设计Fig.4Design of the cooling system of the UAV fuselage2.3无人机机身工艺参数的设定为了不改变无人机机身的尺寸稳定性，同时保持较好的力学性能。利用GFPP推荐工艺参数，选择熔体温度、模具温度、冷却时间、注射时间、保压压力和初始气体浓度作为研究对象，进行单因素试验和正交试验。表1为GFPP成型工艺参数范围。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.T001表1GFPP成型工艺参数范围Tab.1Process parameter range of GFPP molding工艺参数数值熔体温度/℃200~280模具温度/℃20~80冷却时间/s10~20注射时间/s0.5~1.5保压压力/MPa14~25初始气体浓度/%0.1~3.03单因素下无人机机身的轻量化研究初步确定工艺参数为熔体温度230 ℃、模具温度50 ℃、冷却时间20 s、注射时间0.7 s、保压压力21 MPa和气体初始浓度1.5%。图5为初始参数下无人机机身的质量和翘曲变形量。从图5可以看出，无人机机身质量为24.12 g，相应的翘曲值为0.3 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F005图5初始参数下无人机机身的质量和翘曲变形量Fig.5Mass and warpage value of UAV fuselage under initial parameters表2为无人机机身单因素试验结果。从表2可以看出，推荐工艺参数中，冷却时间和注射时间对减轻无人机机身质量的效果小，相比其他4个因素影响可以忽略。无人机机身的质量随着熔体温度和模具温度的升高而减小。这主要是因为温度是影响微发泡注塑成型工艺中，超临界流体成核长大的主要因素。在合理的成型温度内，熔体温度的升高主要影响熔体的冷却时间，因而在一定限度上延长泡孔在熔体的成长周期，泡孔数量随之增大；而模具温度的升高，主要影响模具内表面的剪切力，减小模具内表面对熔体的壁面剪切力，熔体内泡孔逸散随之减少。熔体温度和模具温度在一定限度上减小无人机机身的质量。随着保压压力的增大，无人机机身的质量呈现先减小后增大的趋势。这是因为随着保压压力的增大，熔体内的泡孔成核长大，泡孔难以逸出熔体，因而熔体内形成大量细密的泡孔。但是随着保压压力的进一步增大，由于外界压力，熔体内泡孔难以快速成核长大，使熔体内部不容易形成大量细密泡孔，即熔体填充更致密，使质量增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.T002表2无人机机身单因素试验结果Tab.2Single-factor test results of UAV fuselage参数数值熔体温度/℃200210220230240250260270280质量/kg24.2623.8023.5423.4623.2223.0923.0623.0423.01模具温度/℃202734414855626976质量/kg24.3824.3524.2224.1723.7923.2423.0122.8522.49冷却时间/s101112131415161718质量/kg23.4723.4423.3623.3823.4123.3823.4923.4123.47注射时间/s0.50.60.70.80.91.01.11.21.3质量/kg22.5322.8622.9222.9522.9923.4223.7923.6823.29保压压力/MPa141516171819202122质量/kg23.7223.6423.5623.4723.4623.5323.6723.8924.15气体初始浓度/%0.10.40.71.01.31.61.92.22.5质量/kg23.5923.4623.3723.3223.3223.2623.4223.5023.58初始气体浓度对无人机机身的质量影响显著，浓度为1.6%，质量减至23.26 g，这主要是因为气体的初始浓度越高，熔体内泡孔成核数量随之增大，制品内泡孔的密度和数量大幅度增加，制品减重程度明显。气体的初始浓度小于1.6%，随着气体初始浓度增大，无人机机身减重明显。4正交试验设计与分析为了进一步得到最优的工艺参数组合，基于单因素试验结果，选取熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、初始气体浓度(D)等工艺参数作为影响因素，基于各因素均匀选取4个水平进行正交试验。表3为L16(45)正交试验因素水平设计。表4为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.T003表3L16（45）正交试验因素水平设计Tab.3L16（45） orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/°C模具温度（B）/°C保压压力（C）/MPa初始气体浓度（D）/%120020140.1222540171.0325060212.0427580253.010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.T004表4L16（45）正交试验结果Tab.4Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素空白列质量/gABCD11111124.1921222224.1631333324.141444424.0452123424.2362214324.1172341224.0882432121.9693134224.26103243124.19113312421.98123421321.87134142324.28144231424.13154324121.99164413221.83k124.1224.2423.0323.57k223.6024.1523.0623.10k323.0823.0423.6123.59k423.0622.4324.1523.60R1.071.821.120.50为了更加直观观察各个因素在不同水平下对无人机机身质量的影响规律，图6为不同因素水平与质量的关系曲线。从图6可以看出，无人机机身质量随着模具温度B的升高，呈现逐渐减小的趋势，减重效果最明显，当模具温度为B4时，无人机机身质量最小。随着熔体温度A的升高，无人机机身质量呈现逐渐减小的趋势，且减小程度相比模具温度小，当熔体温度为A4时，无人机机身质量最小。随着保压压力逐渐增大，无人机机身的质量具有一定限度的提升，当保压压力为C1时，无人机机身质量最小。随着初始气体浓度逐渐增加，无人机机身的质量呈现先减小后增大的趋势，当初始气体浓度为D2时，无人机机身的质量最小。这与单因素试验结果基本一致。综上所述，最优的工艺组合为A4B4C1D2，对应工艺参数为：熔体温度275 ℃，模具温度80 ℃，保压压力14 MPa，气体初始浓度1%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F006图6无人机机身质量和因素水平关系Fig.6Relationship between mass of UAV fuselageand factor level为了更好地排除误差对试验结果的影响，进行相应的方差分析。表5为无人机机身质量方差分析结果。从表5可以看出，各工艺参数F值排序为：BCAD，影响程度排序为：模具温度保压压力熔体温度初始气体浓度。对于模具温度，F值F0.05，其对无人机机身的质量具有显著影响；而保压压力、熔体温度和初始气体浓度对无人机机身的质量影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.T005表5无人机机身质量方差分析Tab.5Variance analysis of UAV fuselage mass离差来源偏差平方和自由度均值F值F临界值A3.069431.02313.98F0.01（3，3）=29.457F0.05（3，3）=9.277B9.323133.107712.1C3.363831.12134.37D0.722530.24080.94误差0.770430.2568总计17.249115图7为最优参数组合下无人机机身的质量和翘曲变形量。从图7可以看出，最优工艺参数组合下无人机机身的质量为21.81 g，相比优化前降低9.58%；翘曲变形量也得到相应改善，翘曲值降到0.289 8 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F007图7最优参数组合下无人机机身的质量和翘曲变形量Fig.7Mass and warpage value of UAV fuselage under optimal parameter combination5生产验证图8为最优工艺参数组合下无人机机身。从图8可以看出，无人机机身的翘曲变形量较小，成型质量高，表明优化后无人机机身的成型质量好，可以应用于实际生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.025.F008图8无人机机身制件图Fig.8UAV fuselage parts drawing6结论单因素试验中，无人机机身的质量随着熔体温度和模具温度的增加而减小；机身的质量随着保压压力和初始气体浓度的增加呈现先减小后增大的趋势。优化后当熔体温度为275 ℃，模具温度为80 ℃，保压压力为14 MPa，气体初始浓度为1%，无人机机身的质量是21.81 g，相比优化前降低9.58%；翘曲变形量降至0.289 8 mm。