42УДК 62-214.3
Рыбалкин Сергей Александрович Rybalkin Sergey Alexandrovich, Кравцов Гордей Сергеевич Kravtsov Gordey Sergeyevich, Ярошенко Андрей Сергеевич Yaroshenko Andrey Sergeevich, Сорокин Даниил Юрьевич Sorokin Daniil Yuryevich Студент Student
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University
РАЗРАБОТКА РАМЫ БПЛА
DEVELOPMENT OF THE UAV'S FRAME
Аннотация, в данной статье представлен подход к конструированию рамы четырехвинтового беспилотного летательного аппарата.
Abstract: this article presents an approach to the design of the frame of a four-screw unmanned aerial vehicle.
Ключевые слова, БПЛА, летательный аппарат, рама, 3 d-моделирование, проектирование, конструирование.
Key words: UAV, aircraft, frame, 3d modeling, design, construction.
Сконструируем луч четырехвинтового беспилотного летательного аппарата.
Деталь выращивается из плоскости не имущая навесных выступов, пазов и лысок, что обеспечивает печать без поддержек.
Полученная черновая модель, путем вытягивания эскиз представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Черновая модель луча
Общая геометрия лучей достаточно проста, и данная модель уже удовлетворяет геометрическим требованиям, но не удовлетворяет физическим [1].
Обозначим необходимость соединения лучей со стягивающей пластиной по двум плоскостям для предотвращения выламывающего момента и обеспечения жесткости соединения.
Тогда добавим сопрягающую геометрию и элементы жесткости в виде ребра жесткости, направленного воль оси воспринимаемой нагрузки создаваемой тягой мотора.
Необходимо учесть направление и плоскость наплавляемых слоев пластика. Добавить элементы жесткости для предотвращения расслоения детали вдоль волокон.
Полученная модель и элементы жесткости представлены на рисунках 2, 3, 4.
Рис. 3. Элемент жесткости
Рис. 4. Элементы жесткости, предотвращающие расслоение
Тестирование лучей проведем путем компьютерной симуляции методом конечных элементов в программном комплексе САПР Solidworks Simulation.
Нагрузкой, воспринимающую лучи, будет являться тяговое усилие, создаваемое мотором. Определим значение силы, исходя из ВМГ-тестов, представленных в первой части курсового проекта. Среднее тяговое усилие, при котором планируется эксплуатировать БПЛА равно 450 граммам. Тогда для тестирования соответствия детали предъявляемым физическим и механическим свойствам определим тягу в 750 грамм, что приблизительно равно 7,5 Ньютонам.
Жестко зафиксированной геометрией будут являться плоскости сопряжения лучей и стягивающей пластины.
Подготовка модели к симуляции, приложения силы и фиксирования геометрии представлена на рисунке 5.
128
Рис. 5. Подготовка модели к симуляции
Результаты исследования представлены на рисунках 6, 7.
имг м
^^ 4,85 Ое+00 Щ. 4,Зб5е+00 . 3,880е+00 . 3,395е»00 I . 2,910е+00 I . 2,425е+00 . 1,940е+00 . 1,455е+00
и 9,700«-01 4,850е-01 1,000е-30
Рис. 6. Исследование прогиба луча
Рис. 7. Исследование внутренних напряжений
Из результатов проведенных тестов можно заключить, что данная конфигурация геометрии детали работоспособна, но недостаточно удовлетворительна. Перемещение конца луча на 4,85 мм. приведет к искажению точности управления БПЛА, за счет изменения вектора направленности силы тяги. Внутренние напряжения в режиме работы БПЛА будут являться циклическими, что приведет к быстрому разрушению ребра и перелому детали.
Тогда предлагается путем итерационного процесса прийти к такой геометрической конфигурации, что будет обеспечена минимизация перемещения и внутренних напряжений.
Результаты исследований после проведенного итерационного процесса представлены на рисунках 8, 9 соответственно.
Рис. 8. Исследование прогиба луча
130
—► Предел текучести: б.ОООе +07
Рис. 9. Исследование внутренних напряжений
В результате итерационного процесса была получена удовлетворительная геометрическая конфигурация детали.
Была спроектирована деталь-луч удовлетворяющая, предъявленным требованиям по жесткости, прочности и прогибу. Были соблюдены требования по технологии изготовления.
Проектирование стягивающей пластина произведём на основе расположения, крепежных и центрирующих элементов лучей.
Предложим геометрию плоской детали с выступающими бобышками под крепеж и вырезами, предполагаемых не влияющих на механические свойства, облегчающих деталь. Толщину и дополнительные, упрочняющие элементы определим в ходе тестирования детали.
Черной вариант модели детали представлен на рисунке 10.
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ Рис. 10. Черновой вариант модели
Дополним существующую модель элементом, имитирующим жесткое крепление, лишающее всех степеней свободы, что потребует деформации детали.
Дополнительное построение для тестирования представлено на рисунке 11.
Рис. 11. Дополнительное построение
Изгибающий момент, воспринимаемой пластиной будет обеспечиваться жестким креплением лучей к пластине. Для тестирования необходимо создать сборку рамы. В качестве крепежа используем болтовое соединение с фиксацией гайки в ответной детали, путем лишения 5 степеней свободы. Винт M4x12 DIN7984 с классом прочности 9,9М
Сборка представлена на рисунке 12.
Рис. 12. Сборка рамы
Тестирование так же проведем путем компьютерной симуляции методом конечных элементов в программном комплексе САПР Solidworks Simulation.
Настроим исследование. Зафиксируем геометрию и приложим тяговые усилия, таким же образом, как и в тестировании лучей.
Зафиксированная геометрия и результаты исследования представлены на рисунках 13, 14 и 15 соответственно.
■ /
Рис. 13. Зафиксированная геометрия
Рис. 14. Внутренние напряжения
Г
Рис. 15. Перемещения относительно места крепления
В результате исследования была обнаружена недостаточная продольная и поперечная жесткость.
Изменим геометрию детали и проведем итерационный процесс по подбору толщины и изгиба ребер.
Результаты исследования окончательной версии детали представлены на рисунках 16 и 17 соответственно.
Заметим, что внутренние напряжения пластины практически отсутствуют, а крайние точи дуги прогиба лучей опустились на 13 мм.
von Mises (N/mA2)
Рис. 16. Внутренние напряжения
Рис. 17. Перемещения относительно места крепления
Стягивающая пластина представлена на рисунке 18.
Рис. 18. Стягивающая пластина
В результате исследований была спроектирована несущая конструкция квадрокоптера - рама, удовлетворяющая всем предъявленным к ней требованиям.
Библиографический список:
1. Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние. URL : https://clck.ru/VKtXV (дата обращения -20.06.2021 г.).
© С. А. Рыбалкин, Г. С. Кравцов, Д. Ю. Сорокин, А. С. Ярошенко, 2021
