无人机是近年来飞速发展的一个高新技术产业,随着无人机应用的普及和相关产业的发展,其使用环境对无人机整体结构的刚度和重量提出了越来越严格的要求。为了满足日益提高的结构需求,对无人机进行结构优化势在必行。结构优化可分为三个层次:尺寸优化,形状优化和拓扑优化,这三者的设计难度依次增大。减重一直是飞行器结构设计最重要的要求之一,在无人机轻量化结构设计中,除了使用更轻的材料,拓扑优化是最有效的方法,也是该领域应用最广泛,最前沿的技术。相比前两者而言,拓扑优化的设计变量更多,求解过程更为复杂,并且优化结果实现也更为困难。本文以南科大智能无人机实验室的尾座式无人机ETS10的后机身为研究对象,根据其试飞及姿态分析的结果得到该无人机后机身的实际工况,针对其主要承受弯矩扭矩的特点,对无人机后机身的蒙皮加强筋分布进行了拓扑优化设计。本文根据无人机实际飞行环境与飞行姿态分析了无人机后机身的实际工况和极限载荷条件,满速且水平尾翼满偏舵情况下后机身载荷最大,然后分析了无人机后机身的纯蒙皮结构和桁梁式结构在这两种边界条件下的应力与位移情况,分析了桁梁式机身的加强效果。基于变密度法的SIMP插值模型,以最小柔度为目标函数,建立了以体积分数为约束的拓扑优化数学模型,并利用OC准则法和敏度过滤求解该模型,以2D与3D梁结构算例展示了拓扑优化中惩罚因子和敏度过滤半径对拓扑优化结果的影响以及边界条件对优化结果的影响。接着以满足结构刚度与轻量化为目标,对无人机后机身加强筋的分布进行拓扑优化,包括前处理与优化结果的分析,根据优化结果对机身内部加强筋重新建模处理,并将最终优化结果与普通的纯蒙皮结构和桁梁式机身结构的力学性能进行对比,包括力学仿真对比与实验对比,确定了最终的优化结构在实现轻量化设计同时较大的提升了后机身的弯曲刚度和扭转刚度,具备实际的工程意义。