Проектирование и изготовление композитной рамы малого беспилотного летательного аппарата с применением трехмерной печати

Язык труда и переводы:
УДК:
691.175.3
Дата публикации:
02 января 2022, 13:49
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Мозер Евгений Владимирович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Проведен анализ летно-технических характеристик исходного беспилотного летательного аппарата и требований, предъявляемых к его силовой раме, создана ее базовая конечно-элементная модель и проведена топологическая оптимизация. Предложена рациональная схема армирования конструкции. Выполнен анализ свободных колебаний конструкции. Изготовлена силовая рама беспилотного летательного аппарата с применением трехмерной печати полимерными композиционными материалами. В настоящее время проводится экспериментальная отработка предлагаемого технического решения.
Ключевые слова:
композиционные материалы, беспилотные летательные аппараты, 3D-печать, топологическая оптимизация
Основной текст труда

Разработка и проектирование беспилотных летательных аппаратов (БЛА) является одним из самых перспективных направлений XXI века [1]. Этот факт связан с тем, что БЛА, ранее используемые только в военных целях, активно внедряются в повседневную гражданскую жизнь [2]. Они находят свое применение в таких крупных и востребованных сферах как: геодезия, коммуникации, логистика, медицина, космические исследования. В связи с этим расширяются и ужесточаются технические требования, предъявляемые к конструкции и характеристикам БЛА, основные из которых: весовая эффективность, стабильность, повышенный ресурс, мобильность и быстрый старт [3]. Помимо этого, увеличение области применения влечет за собой разнообразие конструктивных особенностей и форм будущих изделий, что должно быть учтено при выборе технологии изготовления и сборки [4]. Применение технологии 3D-печати композиционными материалами эффективно решает все вышеперечисленные проблемы, что говорит об актуальности предложенной работы.

Основной целью работы является снижение массы силовой рамы беспилотного летательного аппарата вертолётного типа с сохранением жесткости, за счет применения оптимального проектирования и технологии 3D-печати полимерами, армированными непрерывными волокнами.

Опираясь на летно-технические характеристики исходного беспилотного летательного аппарата, были выделены требования, предъявляемые к его силовой раме:

  • рама должна иметь массу менее 20 г;
  • минимальная частота собственных колебаний должна быть не менее 45 Гц;
  • электроника, находящаяся в центральной части, должна эффективно охлаждаться;
  • площадь оснований не должна закрывать пространство винта радиусом 58 мм более чем на 20 %.

Для достижения конечной цели проектирования поставленные задачи были решены следующим путем:

  • создана базовая геометрическая модель силовой рамы, учитывающая особенности конструктивно-компоновочной схемы БЛА вертолетного типа;
  • спроектирована конечно-элементная сетка, а также смоделированы реальные условия нагружения и эксплуатации силового каркаса;
  •  проведена топологическая оптимизация по критерию максимальной жесткости в CAE комплексе Ansys;
  • доработана геометрическая модель силовой рамы и спроектирована оптимальная волокнистая структура с помощью Ansys Composite Pre-Post;
  • проведен сравнительный анализ свободных колебаний полученной и исходной конструкций. По результатам расчета жесткость конструкции возросла в 4 раза, при этом масса снизилась на 50 %;
  • написана программа для устройств с числовым программным управлением (ЧПУ), в данном случае 3D-принтера.

Результатом всей проведенной работы стало изготовление силовой рамы беспилотного летательного аппарата с применением трехмерной печати полимерными композиционными материалами. Затронуты технологические особенности изготовления изделий из полимерных материалов, армированных непрерывными волокнами методом 3D-печати. Увеличено значение низшей собственной частоты колебаний рамы на 178,44 Гц (400 %) по сравнению с частотой исходной конструкции. Также повышены значения собственных частот колебаний рамы в каждой гармонике до 510 % от исходных. Разработана методика изготовления изделий с помощью технологии 3D-печати и методов оптимального проектирования.

Литература
  1. Моисеев В.С. Основы теории эффективного применения беспилотных летательных аппаратов. К.: РИЦ «Школа», 2015. 444 с.
  2. Рэндал У., Тимоти У. Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика. М.: Техносфера, 2015. 312 с.
  3. Павлушенко М., Евстафьев Г., Макаренко И. Беспилотные летательные аппараты: история, применение, угроза распространения и перспективы развития. М.: Права человека, 2005. 612 с.
  4. Van den Brink W.M., Van der Klift F., Bruins R., Hermans M.J.M. Design and optimization method for 3D printed carbon reinforced aircraft components // Conference ICCM 21st International Conference on Composite Materials. 20–25, August 2017. Xian. 2017. Pp. 20–32.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.