В последние годы беспилотные летательные аппараты (дроны) широко используются в различных областях, от сельского хозяйства, инспекции инфраструктуры, расследования стихийных бедствий и других промышленных приложений до приложений для досуга. Существуют различные типы БПЛА, но основным направлением является многороторный самолет с четырьмя или более несущими винтами для управления движением и высотой. Многокрылый фюзеляж должен быть легким для увеличения полезной нагрузки и жестким, чтобы выдерживать тягу. Хотя конструкция проста в изготовлении, необходимо учитывать некоторые проблемы, такие как увеличение веса из-за соединения нескольких частей и ограничение конструкции корпуса из-за формы материала. Для достижения портативности и функциональности это идеальный способ использовать 3D CFRP для изготовления фюзеляжа. Оптимизируя расположение материала, можно исключить определенное количество ненужного материала, а волокна можно ориентировать так, чтобы воспользоваться преимуществом анизотропии относительно нагрузки. Оптимизация конструкции фюзеляжа по топологии. Совместная группа разработала исходную форму верхней части для анализа, взяв за основу существующий фюзеляж. Хотя существующие конструкции фюзеляжа имеют края, они изменяют конструкцию гладких, непрерывных поверхностей и соответствующих углов уклона с учетом обрабатываемости пресс-формы. Центр плоский и может вместить антенну GPS-приемника.
Исходная модель формы для анализа. Центр плоский и может вместить антенну GPS-приемника.
Существующий корпус изготовлен из полимера АБС толщиной около 1,5 мм и имеет структуру мономерной оболочки в форме полностью закрытого мешка. По этой причине оболочка толщиной 2 мм используется в качестве расчетной модели для расчета расчетного диапазона. Поскольку углеродное волокно будет размещено на плоской поверхности вокруг антенны GPS, эта область не включена в объем проектирования. Фюзеляж состоит из верхней и нижней части фюзеляжа, которые соединены множеством шарниров и винтов. Состояние крепления моделируется соединением элементов положения винтов. Граничные условия и результаты оптимизации топологии
Когда самолет парит в воздухе, на его тело действуют различные силы, которые трудно измерить или оценить. В этом проекте, в качестве модельного случая без использования реальных условий, команда зафиксировала основание, к которому будет прикреплена нагрузка, и создала условия для шести различных вариаций нагрузки / крутящего момента, применяемых к четырем углам ротора (вариант нагрузки). Затем определяется форма, обеспечивающая максимальную жесткость при шести различных нагрузках. Результаты анализа этой статьи являются результатами оптимизации для конкретной модельной ситуации и не могут быть широко применены к реальной машине.
Измените форму в соответствии с результатами оптимизации. Принимая во внимание все шесть случаев нагружения, результаты оптимизации приводят к тому, что форма полностью покрывается относительно однородной сеткой. Установка нескольких граничных условий может привести к потенциально высокопроизводительным результатам. Результатом анализа являются данные сетки конечных элементов, которые нельзя использовать в качестве данных САПР. Поэтому по результатам реконструируется улучшенная форма фюзеляжа. Метод производства: технология индивидуального размещения волокон (TFP). Индивидуальное размещение волокон - один из методов, используемых для изготовления преформ, при котором пучок непрерывных длинных углеродных волокон пришивается к ткани-основе. Хотя этот метод применялся в деталях самолетов и других приложениях, в Японии почти нет коммерческого использования, и можно ожидать развития бизнеса в будущем, если как можно скорее внедрить эту технологию. В этом исследовании с использованием этого метода углеродные волокна располагаются в соответствии с результатами оптимизации, чтобы улучшить характеристики самолета без потери анизотропии. Поскольку преформа выполнена в плоской форме, преформа должна быть спроектирована таким образом, чтобы форма после формования была плоской и развернутой, чтобы трехмерная форма могла быть восстановлена в пресс-форме во время процесса формования.
Формование из углепластика VARTM VARTM - это технология литья под давлением (RTM), при которой пресс-форма используется для формования, а вакуумное всасывание применяется во время пропитки жидкой смолой. Заготовку помещают в одностороннюю алюминиевую форму (охватывающую форму на внешней поверхности фюзеляжа) и герметизируют упаковочным материалом. Вакуумное отсасывание используется для пропитки термореактивных смол, которые затем отверждаются в автоклаве. Из-за немного большего размера преформы волокна первого прототипа имеют зубчатые формы. Чтобы исправить это, на этапе проектирования второго прототипа размеры регулируются путем изменения значения смещения между центральной плоскостью преформы и поверхностью фюзеляжа. У первого прототипа есть проблемы с качеством, включая недостаточную пропитку смолой углеродного волокна и остаточное пространство и пустоты в пучке углеродных волокон. В процессе вакуумной упаковки, пропитки и производства автоклавов были приняты следующие меры противодействия: изменение процесса резки стеклоткани; Снизить вязкость смолы; Переворачивание стороны пресс-формы установки преформы; Измените процесс пропитки. Результаты показывают, что эффект пропитки стеклоткани лучше, но на поверхности и внутри пучка углеродного волокна больше пустот. В настоящее время необходимы дальнейшие исследования для улучшения качества формованных деталей. Команда провела летные испытания самолета и оценила его возможность. Летчик проверил маневренность. Результаты удовлетворительны, потому что реакция на рулевое управление лучше, чем у самолетов из пластмассы ABS. Ожидается, что сочетание оптимизации топологии и материалов из углепластика обеспечит конструкционные детали с высокими эксплуатационными характеристиками, как с легкостью, так и с высокой жесткостью. Это исследование подтвердило, что трехмерная структура углепластика может быть сформирована с использованием преформы TFP на многолопастном корпусе. В будущем, накопив знания о конструкции преформ и методах формования композитов из углеродного волокна, можно ожидать, что они будут широко использоваться в различных изделиях из аэрокосмической области.
