接触对秒变非设计域，OptFuture助力四旋翼无人机合理减重81%

在拓扑优化及生成式设计的工程实践中，装配体接触区域的保留一直是个需要小心处理的环节。原因很简单：接触面是载荷传递的关键路径，一旦被优化算法削去或掏空，螺栓连接面将失去接触、铰接位置无法传递载荷、配合面丧失定位精度——整个装配体的功能随之失效。

然而目前使用主流商软时，用户需先通过自动识别接触对功能找出所有接触关系，再手动将接触面一一指定为非设计域，操作路径冗长，在多接触对的大型装配体中尤为耗时。

正是为了破解这一痛点，OptFuture 2.1版本重磅推出 “接触对一键添加为非设计域” 功能。它将原本分散在两个独立模块中的操作深度融合——旧流程需经历“自动识别生成接触对→记录接触面（或建立面集 合）→进入优化区域定义→逐一选取→指派为非设计域”五步，而新流程仅需点击‘新建非设计域’→选择‘全部接触’为选择对象”两步即可完成。

合理的非设计域定义，比优化算法本身更决定最终方案的成败。在拓扑优化中，非设计域是优化迭代过程中材料密度保持不变的区域。它的作用相当于给关键区域上“保护锁”，确保这些部分在优化过程中不会被算法删除。如下图所示为经典航空发动机GE支架优化设计案例，左图为接触不作为非设计域的优化结果，右图为将全部接触添加为非设计域的优化结果，可直观看到，将全部接触添加为非设计域后，螺栓连接位置及叉耳位置载荷传递路径更完整，材料分布更合理。

 

接触不作为非设计域

 

将全部接触添加为非设计域

得益于此前版本已实现的接触对自动识别技术，软件能够一键捕捉装配体中的接触关系，识别速度和准确率媲美国外同类CAE软件，此次升级将识别结果直接与设计区域模块打通，所有接触对涉及的面可一键批量添加为非设计域。为了直观展示这一功能的实际价值，以一个典型的四旋翼无人机轻量化设计案例为例，进行对比实验。

案例：四旋翼无人机轻量化设计

在无人机设计中，结构的重量和强度始终是一个核心矛盾。更轻的机身意味着更长的续航、更灵活的机动性和更大的有效载荷能力，但减轻重量不能以牺牲结构强度为代价，拓扑优化正是破解这一矛盾的关键技术。然而，当优化对象是装配体时，一个隐藏的挑战浮出水面：如果不保护接触面，优化算法可能会“削掉”载荷传递的必经之路，让漂亮的减重数据变成一纸空谈。如何让优化既“轻”又“强”，还能保证装配功能不失效？四旋翼无人机优化案例，为您揭晓答案。

首先，在OptFuture中对初始的无人机机体模型进行有限元分析，模型及边界条件如下：

 

材料：ABS塑料

密度：1150 kg/m³

弹性模量：2 GPa

泊松比：0.4

屈服强度：45 MPa

约束：惯性释放（模拟自由飞行状态）

载荷工况：

工况1（仅旋翼力）：四个电机位置各施加20N的向上推力

 

工况2（仅有效载荷力）：重心位置施加60N的向下有效载荷

工况1结果：

 

安全因子：15  

工况2结果：

由仿真结果可得，安全系数为15，这相当于该设计能承受15倍实际载荷。过度设计意味着巨大的减重空间！接下来，对该模型进行轻量化设计。

设计区域：

方案一：优化区域为无人机机身主体；非优化区域不限制

方案二：优化区域为无人机机身主体；非优化区域为全部接触

 

非优化区域-全部接触示意

优化模型：

目标函数：静柔度最小化（线性静力-工况1）、静柔度最小化（线性静力-工况2）

约束条件：质量上限20%

制造约束：平面对称XZ、平面对称YZ、最小尺寸约束5mm

方案一（非设计域无全部接触）优化结果：

 

 

重量从初始2516.228g降至479.581g，减重比例80.94%。

 

方案二（非设计域添加全部接触）优化结果：

 

 

重量从初始2516.228g降至477.075g，减重比例高达81.04%。

 

 

由方案一及方案二构型对比可得，将部件间的接触区域设定为非设计域时，优化器能够清晰地识别载荷传递的关键路径，从而在其余区域自动生成流畅、规整的桁架式结构，确保中心板、机臂与电机座之间衔接良好；反之，若不将接触区域设定为非设计域，优化算法将会为了追求轻量化而削减连接处的材料，导致传力路径中断，且结构上可能出现不规则的细小孔洞，虽然减重指标可能依然亮眼，但结构变得不连续、难加工。

3D打印成品                                                              

版本适用性

本文中涉及的软件界面展示和操作描述适用于 OptFuture 2026.2.1。

结语

此次升级是OptFuture在“设计与仿真一体化”方向上的又一关键落子：自2023年起，OptFuture已陆续在拓扑优化领域完成制造约束体系（全面支持2.5轴铣削、3轴铣削、挤压等工艺约束）、多种约束类型（平面对称、线性阵列、圆周阵列、拔模约束、尺寸约束等）及NURBS曲面生成（便于CAD二次编辑）等多项核心能力布局，而“接触对一键添加为非设计域”功能的加入，补齐了装配体拓扑优化中接触区域保护的关键拼图，让从设计到仿真的全链路效率再上一个台阶。