不管在军事领域还是民用行业，无人机(UAV)已经成为了生活中的一种先进且常见的工具。无人机在各个领域都发挥着其突出的优势。例如在可以快速观测、提供重要数据，以满足日常生活中的民用、商业和军事组织对信息的巨大需求。

无人机的涉及的关键技术涵盖了多个学科，包括高级材料的微型化、航空电子学、图像模式识别等。这些高科技的综合应用将为相关行业带来巨大的挑战和机遇。

随着无人机应用范围的不断扩大，有效负载比成为主要的设计驱动。对无人机系统来说，有效负载比就是在给定机身情况下承载更多负载、燃料或增加机能。使用复合材料是实现该目标的一种不错选择。现在，无人机的续航能力仅取决于燃料消耗，而非机组成员，因为无人机系统的空中加油技术尚未实现。为了满足系统总体重量的不断增长需求，采用先进的复合材料以及相关优化技术已成为获得良好飞行性能、续航能力和/或有效携带武器的关键所在。

解决方案：多学科优化

首先需要确定翼梁所承受的载荷和边界条件，然后利用拓扑优化技术来优化翼梁的结构计算。研究结果显示，即使采用中空矩形截面，翼梁仍然可以保持所需性能水平。

然后使用AltairOptiStruct的复合材料优化技术对矩形翼梁结构中不同角度如正负45度和90度的铺层进行优化。铺层角度优化技术将首次应用于优化铺层形状。

最后，我们对铺层尺寸进行了优化。在优化过程中，除了应用应变和屈曲约束，我们还采用了Multi-continuum理论（MCT）的失效准则。MCT通过将复合材料结构中的应力应变分解为纤维和基体的应力应变组成部分，来研究微观力学问题。这种方法使得我们可以使用不同的失效理论来研究纤维和基体，并获取每个组成部分的力学特性。由于MCT与有限元方法的集成容易，FireholeTechnologies公司已经将其开发成为商业软件HeliusMCT，并将其整合到几种有限元软件包中。

Altair多学科优化软件HyperStudv的响应面优化技术将被用于解决包含非线性有限元分析和多连续体理论的多学科优化问题，以获得复合材料铺层最优的尺寸。

优化结果表明，翼梁重量可减至原设计的50%。轻量化设计首先采用拓扑优化将翼梁设计成中空矩形截面梁结构，然后引入铺层角度的优化概念，实现进一步减轻结构重量。最后，在优化过程中使用了MCT失效准则，以确保设计方案符合总应变、挠曲和失效约束。

该过程显示出，使用多学科优化技术进行复合材料结构设计，能够获得更轻盈的结构。通过使用复合材料叠层优化、响应面优化和多尺度连续理论，可以得到轻量化的结构并且满足微观力学水平的失效限制。整个流程利用现代计算机系统高效运行，并且支持设计工程师在同一时间调整多个参数以获得最佳设计方案。轻量化设计使得无人机系统能够携带更多负载、新增更多功能或飞行更远的距离。任何一项进步都将是无人机研发的巨大成功。