Το μη επανδρωμένο εναέριο όχημα (UAV) είναι ένα αεροδυναμικό αεροσκάφος που δεν απαιτεί τη μεταφορά προσωπικού. Μπορεί να πετάξει αυτόματα και να καθοδηγεί εξ αποστάσεως και μπορεί να ανακτηθεί ή να χρησιμοποιηθεί μία φορά. Έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε πολιτικά πεδία για περιπολίες καταστροφών, περιβαλλοντική παρακολούθηση, αεροφωτογραφία, πρόληψη δασικών πυρκαγιών και μετεωρολογική παρατήρηση. Σε στρατιωτικούς τομείς, έχει εξελιχθεί σε μη επανδρωμένα συστήματα μάχης για στρατιωτική αναγνώριση, καταστολή της αεροπορικής ενέργειας, ηλεκτρονικό πόλεμο και βαθιά υποκλοπή. Ως νέος τύπος όπλου αεροπορίας, θα γίνει η κυρίαρχη δύναμη στην αεροπορική μάχη!. Λόγω του γεγονότος ότι τα αεροσκάφη έχουν μόνο καταστροφή αεροσκαφών και χωρίς απώλειες, η ανάπτυξή τους ήταν πολύ γρήγορη. Οι βασικές πτυχές του σχεδιασμού του σώματος του drone είναι η δομική μορφή και η επιλογή υλικού και μια λογική δομική μορφή αποτελεί προϋπόθεση για τη δομή του drone να ικανοποιεί τις απαιτήσεις σχεδιασμού. Το πλεονέκτημα του σχεδιασμού της δομής ενός drone είναι ότι δεν απαιτεί την εξέταση της φυσιολογικής αντοχής των ανθρώπων κατά τη διάρκεια της πτήσης, ούτε απαιτεί ιδιαίτερη εξέταση της δομής και των υλικών για μυστικότητα και αντι -βαλλιστικές ικανότητες. Λαμβάνοντας υπόψη μόνο τη δομική απόδοση του drone μπορεί να εξασφαλίσει την εγκατάσταση του προηγμένου αερομεταφερόμενου εξοπλισμού!
Η μείωση του βάρους είναι ένα αιώνιο θέμα στο σχεδιασμό του σώματος. Σε σύγκριση με τα προφίλ αλουμινίου και τον χάλυβα, η μοναδική ελαφριά επίδραση των σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα έχει επίσης γίνει η κύρια τάση σε ελαφρύ βαρύτητα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να επεκτείνει το χρόνο ταξιδιού ή να αυξήσει το ωφέλιμο φορτίο της αποστολής. Επί του παρόντος, η ποσότητα σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα που χρησιμοποιούνται σε προχωρημένα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα στον κόσμο είναι γενικά 60% έως 80% του συνολικού βάρους των αρχαίων δομών αεροσκαφών και φτάνει ακόμη πάνω από 90%. Η μείωση του βάρους των μη επανδρωμένων δομών εναέριου οχήματος μπορεί να φθάσει το 30% έως 5%. Τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα μπορούν να βελτιστοποιηθούν και να σχεδιαστούν ανάλογα με τις απαιτήσεις αντοχής και δυσκαμψίας των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων, ικανοποιώντας τα χαρακτηριστικά της ολοκληρωμένης χύτευσης εξαρτημάτων όπως η άτρακτο και τα φτερά. Η αντίσταση στη διάβρωση της μήτρας ρητίνης των σύνθετων υλικών μπορεί να επιτρέψει τη χρήση drones σε σκληρά περιβάλλοντα για μεγάλο χρονικό διάστημα, καθιστώντας τους εύκολο να διατηρηθούν και να επισκευαστούν
Στη διαδικασία ανάπτυξης διαφόρων τύπων δομών drone, έχουν αποκτήσει ομόφωνη αναγνώριση από όλα τα μέρη και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως, καθιστώντας το κύριο υλικό πολλών μοντέλων αεροσκαφών. Αυτό διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στη ελαφριά, μικροσκοπική και υψηλής απόδοσης των δομών των δοχείων. Στη συνέχεια, με βάση την προηγούμενη εργασιακή μας εμπειρία και τις τρέχουσες συνθήκες κατασκευής των σύνθετων υλικών ινών άνθρακα, θα εισαγάγουμε την ελαφριά τεχνολογία για τα σώματα των αεροσκαφών.
Τεχνολογία σχεδιασμού σύνθετου υλικού
1. Ανάλυση σύνθετων δομικών μονάδων από ίνες άνθρακα για drones
Αυτό το μοντέλο drone ανήκει στην κατηγορία μικρών αεροσκαφών και μπορεί να αντέξει χαμηλά φορτία κατά τη διάρκεια της πτήσης. Ο δομικός σχεδιασμός του διευκολύνει την εκτεταμένη χρήση των ελαφρών σύνθετων υλικών ινών άνθρακα και των δομών σάντουιτς τους και προσπαθεί για μια συνοπτική δομή για τη μείωση του κόστους κατασκευής.
Το σώμα αυτού του μοντέλου του drone υιοθετεί κυρίως μια δομή σάντουιτς με κηρήθρα Nomex και η βασική δομική μορφή παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα.
Αυτή η δομή σάντουιτς αποτελείται από σύνθετα και εξωτερικά πλαίσια υψηλής αντοχής και υλικά ελαφρού πυρήνα χαμηλής αντοχής, τα οποία έχουν τα πλεονεκτήματα του ελαφρού βάρους, της υψηλής δυσκαμψίας και της αντοχής, της ισχυρής ικανότητας κατά της αστάθειας, της αντοχής στην κόπωση, της απορρόφησης ήχου και της επισκευής θερμότητας. Τα άνω και τα κατώτερα πάνελ φέρουν τις κύριες τάσεις εφελκυσμού και συμπιεστικών, ενώ το υλικό του πυρήνα φέρει κυρίως διατμητική τάση. Το υλικό του πυρήνα χρησιμοποιείται για να κάνει τα επάνω και κάτω πάνελ σε ένα ολοκληρωμένο συστατικό: ο λεπτός πίνακας δεν λυγίζει όταν υποβάλλεται σε υψηλή τάση εφελκυσμού και η δύναμη διάτμησης μεταδίδεται από τον πίνακα στον εσωτερικό πίνακα, η οποία μπορεί να επιτρέψει στον πίνακα και τον πυρήνα να λειτουργεί ως σύνολο, η πλήρης πραγματοποίηση της υψηλής ειδικής αντοχής και της ενίσχυσης των χαρακτηριστικών της στρώσης, ανάλογα με την απόδοση του πίνακα, τον πυρήνα και τον πυρήνα.
Λόγω της καλής ακαμψίας της κάμψης της δομής σάντουιτς, η οποία μπορεί να συντονίσει αποτελεσματικά το κρίσιμο επίπεδο στρες για την αστάθεια και το επιτρεπόμενο επίπεδο στρες για στατική αντοχή, τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα μπορούν να σχεδιαστούν με βάση τη στατική αντοχή. Ο εξωτερικός πίνακας της δομής σάντουιτς με τράβηγμα έχει σχεδιαστεί ως ένα πλάκα πλαστικοποιημένων από ίνες άνθρακα δύο επιπέδων, η οποία μπορεί να αντέξει τα φορτία στο επίπεδο και τις αεροδυναμικές δυνάμεις των πτερυγίων. Η επιλογή των βασικών υλικών λαμβάνει υπόψη τη μείωση του βάρους και τη επεξεργασία επεξεργασίας χύτευσης, επιλέγοντας μικρά κυτταρικά κηρήθρα χαμηλής πυκνότητας. Ο εσωτερικός πίνακας έχει σχεδιαστεί ως στρώμα υφάσματος από ίνες άνθρακα, το οποίο είναι πολύ λεπτό και ανομοιογενές λόγω της επίδρασης των κυττάρων της κηρήθρας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χύτευσης. Η στατική αντοχή στο επίπεδο θεωρεί μόνο την ικανότητα φορτίου του εξωτερικού πίνακα, ενώ η κηρήθρα και τα εσωτερικά πλαίσια σχεδιάζονται με βάση τη σταθερότητα.
Οι δοκοί και οι τοίχοι που φέρουν φορτίο στη δομή του σύνθετου υλικού σώματος των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων σχεδιάζονται ως σύνθετα ελάσματα και οι νευρώσεις των πτερυγίων είναι κατασκευασμένα από ελασμικά αεροσκάφη και τις δομές σάντουιτς τους. Λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά της συνολικής διαδικασίας χύτευσης σύνθετων υλικών, το δέρμα της δομής σάντουιτς, οι δοκοί που φέρουν φορτίο, οι τοίχοι και οι πτέρυγες του σώματος του αεροσκάφους σχεδιάζονται ως σύνθετα επιφάνειες που συνδέονται με το υλικό, δηλαδή η χύτευση των δοκών που φέρουν φορτίο, οι τοίχοι και οι νευρώσεις των πτερυγίων και η συγκόλληση του εσωτερικού πίνακα του σάντουιτς. Αυτό μπορεί να εξαλείψει την ανάγκη για συγκολλητική συναρμολόγηση των εξαρτημάτων, η οποία είναι αρκετά αποτελεσματική στη μείωση του βάρους των αεροσκαφών, τον εξορθολογισμό των διαδικασιών παραγωγής και τη βελτίωση της ποιότητας της συναρμολόγησης συστατικών.
2. Σχεδιασμός του σώματος με βάση τα σύνθετα υλικά
Ο σχεδιασμός των δομών σύνθετων υλικών για μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα απαιτεί μια συνοπτική δομή, με πολλαπλά συστατικά σχεδιασμένα ως ολόκληρη τη δομή όσο το δυνατόν περισσότερο, μειώνοντας σημαντικά τον αριθμό των συνδετήρων και των συνδετήρων, μειώνοντας έτσι το βάρος της δομής και τον αριθμό των περιοχών συγκέντρωσης στρες που προκαλούνται από τη συναρμολόγηση, την απλούστευση της συντήρησης και της επισκευής της δομής του αεροσκάφους. Η υιοθέτηση ενός ολιστικού δομικού σχεδιασμού μπορεί να απλοποιήσει τη σχέση μετάδοσης δύναμης του αεροσκάφους, να διευκολύνει τη λογική μετάδοση δύναμης, να διασφαλίσει τη συνέχεια των χαρακτηριστικών δομικής αντοχής και δυσκαμψίας και να διευκολύνει τη συνολική προσαρμογή και τη βελτίωση του δομικού σχεδιασμού. Η εφαρμογή του συνολικού δομικού σχεδιασμού ενώ λαμβάνεται υπόψη η διαδικασία χύτευσης σύνθετων υλικών μπορεί να βελτιώσει τη δομή
Στη διαδικασία ανάπτυξης ενός συγκεκριμένου μοντέλου του σώματος του drone, υιοθετήσαμε σύνθετη δομή ινών άνθρακα για όλα τα συστατικά του σώματος για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ακρίβεια. Τα υλικά σχεδιασμού και οι δομές σάντουιτς τους και ενσωματώνουν την έννοια της συνολικής θεραπείας και της συγκόλλησης CO καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας σχεδιασμού. Τα σύνθετα συστατικά του σώματος των ινών άνθρακα αυτού του μοντέλου του drone περιλαμβάνουν επτά μέρη: άτρακτο, κάλυμμα ατράκτου, φτερά, ελικόπτερα, κατακόρυφη ουρά, επίπεδη ουρά και υποστήριξη ουράς. Το διάγραμμα περιγράμματος του drone φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα.
Το συγκεκριμένο σχέδιο σχεδιασμού για τα σύνθετα συστατικά του σώματος των ινών άνθρακα των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων έχει ως εξής
1) Η δομή της ατράκτου είναι ο κορμός ενός drone, που χρησιμοποιείται για εξοπλισμό μεταφοράς, εγκατάστασης κινητήρων και μεταφοράς ωφέλιμων φορτίων. Η δομή της ατράκτου αποτελείται από τέσσερις διαμήκεις φορτίες ω-δοκούς σχήματος, δέρμα ατράκτου και οκτώ παράλληλες διατεταγμένες εγκάρσιες ενισχυτικές πλευρές, όπως φαίνεται στο διάγραμμα διατομής παρακάτω. Η δέσμη φορτίου είναι μια σύνθετη δομή πλαστικοποίησης. Το δέρμα της ατράκτου υιοθετεί σύνθετο υλικό εσωτερικών και εξωτερικών πλαισίων, με δομή σάντουιτς στη μέση, και το υλικό σάντουιτς είναι το Nomex Honeycomb. Οι ενισχυμένες νευρώσεις πλαισίου είναι στρωματοποιημένα με σύνθετα υλικά και το υλικό σάντουιτς είναι κατασκευασμένο από κόντρα πλακέ αεροπορίας. Οι τέσσερις δοκοί και το δέρμα συναρμολογούνται και συνδέονται με συγκόλληση συγκολλητικής συγκόλλησης και το ενισχυμένο πλαίσιο των νευρώσεων χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει το διατομεακό σχήμα της ατράκτου και μεταδίδει συμπυκνωμένα φορτία.
2) Εξώφυλλο άτρακας
Το κάλυμμα της ατράκτου είναι ένα ξεχωριστό συστατικό στο δέρμα της ατράκτου και η δομική μορφή του υλικού είναι η ίδια με αυτή του δέρματος της ατράκτου. Πρόκειται για ένα σύνθετο υλικό από ίνες άνθρακα με άνω και κάτω πλαίσια και μια δομή σάντουιτς στη μέση και το υλικό σάντουιτς είναι το Nomex Honeycomb. Το πάχος της κουκούλας είναι επίσης το ίδιο με το δέρμα της ατράκτου εδώ. Το κάλυμμα του σώματος συνδέεται με το σώμα χρησιμοποιώντας Snap σε μπουλόνια και μπορεί να αποσυναρμολογηθεί επανειλημμένα. Η διατομή του καλύμματος της ατράκτου φαίνεται στο σχήμα.
3) Δομή πτέρυγας
Η πτέρυγα είναι η κύρια επιφάνεια ανύψωσης του αεροσκάφους, συμμετρική και στις δύο πλευρές, συνδεδεμένη με την άτρακτο, φέρνοντας αεροδυναμικά φορτία και δημιουργώντας την απαιτούμενη δύναμη ανύψωσης για την κίνηση του drone. Η πτέρυγα υιοθετεί μια σύνθετη δομή σάντουιτς από ίνες άνθρακα για να εξασφαλίσει επαρκή ισχυρή υποστήριξη και ελαφρύ βάρος. Η ομαλή εξομάλυνση και το ακριβές σχήμα μπορούν να ληφθούν μέσω σχηματισμού μούχλας, βελτιώνοντας έτσι τη δομική απόδοση, την αεροδυναμική ελαστικότητα και τα χαρακτηριστικά ελέγχου του drone.
Η πτέρυγα του αεροσκάφους αποτελείται από άνω και κάτω δέρματα, εμπρός και πίσω δοκούς σχήματος U και 16 εγκάρσιες νευρώσεις, όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Τα φορτία κάμψης και διάτμησης της πτέρυγας μεταδίδονται κυρίως από τις εμπρόσθιες και τις οπίσθιες δοκούς σχήματος U, ενώ η ροπή μεταδίδεται από τη δομή που αποτελείται από τα άνω και κάτω δέρματα και τα εμπρός και πίσω δοκούς σχήματος U. Οι εγκάρσιες νευρώσεις υποστηρίζουν τον ιστό του δέρματος και τη δέσμη και μεταδίδουν εντοπισμένα συμπυκνωμένα φορτία. Η διατομή της πτέρυγας εμφανίζεται στο σχήμα.
Το δέρμα φέρει κυρίως διατμητική τάση και το υλικό σχηματισμού υιοθετεί σύνθετα εσωτερικά και εξωτερικά πλαίσια από ίνες άνθρακα, με δομή σάντουιτς στη μέση και το υλικό σάντουιτς είναι η κηρήθρα. Οι νευρώσεις των πτερυγίων υιοθετούν μια σύνθετη δομή σάντουιτς από ίνες άνθρακα και το υλικό σάντουιτς είναι κατασκευασμένο από κόντρα πλακέ αεροπορίας.
Οι εμπρόσθιες και οπίσθιες δοκούς σχήματος U υιοθετούν μια σύνθετη πλαστικοποιημένη πλάκα από ίνες άνθρακα. Οι δοκοί, οι νευρώσεις των πτερυγίων και τα άνω και κάτω δέρματα συναρμολογούνται με τη συγκόλληση, απλοποιώντας τη διαδικασία συναρμολόγησης και αποφεύγοντας την ανάγκη να ανοίξουν οπές συναρμολόγησης για συναρμολόγηση συνδετήρων.
4) Δομή AILERON
Το AILERON είναι μικρό σε μέγεθος και το σχήμα του φαίνεται στο σχήμα 8.35. Τα μεταλλικά μέρη του περιστρεφόμενου άξονα πρέπει να σταθεροποιηθούν μέσα, έτσι επιλέγεται η δομή σάντουιτς αφρού. Αυτή η δομή αποτελείται από άνω και κάτω δέρματα γεμάτα με άκαμπτο αφρό πολυουρεθάνης και δύο νευρώσεις πτέρυγας. Το εγκάρσιο τμήμα του φαίνεται στο σχήμα. Το φορτίο μεταδίδεται κυρίως από το δέρμα και ο πυρήνας του σκληρού αφρού διαδραματίζει υποστηρικτικό ρόλο. Το δέρμα έχει σχεδιαστεί ως σύνθετο πλαίσιο με μόνο ένα στρώμα υφάσματος από ανθρακονήματα, το οποίο μπορεί να φέρει τόσο κανονική τάση όσο και διατμητική τάση κάτω από την πυκνή υποστήριξη του αφρού. Η πτέρυγα είναι μια πλακέτα αεροσκαφών, που χρησιμοποιείται κυρίως για την τοποθέτηση του άξονα περιστροφής μετάλλων.
5) Κατακόρυφη δομή ουράς
Η οριζόντια διάσταση της κατακόρυφης ουράς είναι μικρή και επιλέγεται η δομή σάντουιτς αφρού. Αυτή η δομή αποτελείται άμεσα από άνω και κάτω δέρματα γεμάτα με άκαμπτο αφρό πολυουρεθάνης. Το φορτίο μεταδίδεται κυρίως από το δέρμα και ο πυρήνας του σκληρού αφρού διαδραματίζει υποστηρικτικό ρόλο. Το δέρμα έχει σχεδιαστεί ως σύνθετο πάνελ με πανί μονής στρώσης άνθρακα. Με την πυκνή υποστήριξη του αφρού πυρήνα, μπορεί να φέρει τόσο κανονική πίεση όσο και διατμητική τάση
6) Επίπεδη δομή ουράς
Η επίπεδη ουρά αποτελείται από άνω και κάτω δέρματα, τοίχους και 4 πτερύγια. Το φορτίο κάμψης μεταδίδεται κυρίως από το δέρμα, το φορτίο διάτμησης μεταδίδεται από τον τοίχο και η ροπή μεταδίδεται από τη δομή που αποτελείται από το δέρμα και τον τοίχο. Οι νευρώσεις των πτερυγίων υποστηρίζουν την επιφάνεια του πτερυγίου του δέρματος και μεταδίδουν τοπικά συμπυκνωμένα φορτία δύναμης. Σε αυτή τη δομή, το δέρμα πρέπει να αντέχει τόσο στην κανονική τάση όσο και στη διατμητική τάση, επομένως έχει σχεδιαστεί ως σύνθετη δομή σάντουιτς που μπορεί να αντέξει την κανονική τάση στο επίπεδο. Το υλικό σάντουιτς είναι η κηρήθρα. Ο τοίχος είναι μια σύνθετη δομή σάντουιτς και το υλικό σάντουιτς επιλέγεται ως κόντρα πλακέ. Το υλικό της πτέρυγας είναι η ελασματοποιημένη πλακέτα αεροπορίας.
7) Δομή υποστήριξης ουράς
Το Tail Strut είναι ένα συστατικό που φέρει φορτίο που συνδέει το πτερύγιο πτερυγίου και ουράς. Παίζει το ρόλο της μεταφοράς όλων των φορτίων από την ουρά στην πτέρυγα στην πτέρυγα. Η μορφή φορτίου είναι παρόμοια με μια δέσμη προβόλου, η οποία πρέπει να αντέχει στην αμφίδρομη δύναμη διάτμησης, τη ροπή αμφίδρομης κάμψης και τη ροπή. Ως εκ τούτου, το ουρά στήριγμα υιοθετεί κυκλικό σωλήνα σύνθετου υλικού άνθρακα. Αυτός ο στρογγυλός σωλήνας κατασκευάζεται με περιέλιξη εξώθησης τέντωμα, η οποία μπορεί να παράγει μακρύτερα εξαρτήματα σωλήνων και τα κόβει σύμφωνα με τις διαστάσεις του σχεδιασμού.
3. Σχεδιασμός και ανάλυση σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα για μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα
1) Η ανάλυση δομικού σχεδιασμού δείχνει ότι τα σύνθετα υλικά των ινών άνθρακα μπορούν να ενισχύσουν την απόδοση κόπωσης των δομών. Ως εκ τούτου, η ανάλυση δομικού σχεδιασμού επικεντρώνεται κυρίως στη δομική ανάλυση στατικής αντοχής και την ανάλυση σταθερότητας και η χρήση μεθόδων υπολογισμού μηχανικής στο σχεδιασμό είναι πολύ αποτελεσματική.
2) Ανάλυση δομικής στατικής αντοχής
Η ανάλυση στατικής αντοχής και ο υπολογισμός της δομής πραγματοποιούνται σύμφωνα με τη θεωρία της μηχανικής δέσμης. Η δομική αντοχή ελέγχεται από επιτρεπόμενη πίεση και η δομική ακαμψία ελέγχεται σύμφωνα με τις απαιτήσεις παραμόρφωσης
3) Ανάλυση σταθερότητας δέρματος
Ο υπολογισμός του σχεδιασμού της σταθερότητας της δομής σάντουιτς με κηρήθρα μπορεί να πραγματοποιηθεί σύμφωνα με τις αντίστοιχες μεθόδους στο εγχειρίδιο σχεδιασμού σύνθετων υλικών. Η σταθερότητα του δέρματος της δομής σάντουιτς αφρού πρέπει να αναλυθεί και να υπολογιστεί με την εξίσωση καμπυλότητας εκτροπής και τη μέθοδο ενέργειας
4) Ανάλυση σταθερότητας των δοκών φορτίου
Η συνολική κρίσιμη τάση για την αστάθεια των δοκών που φέρουν φορτίο υπολογίζεται γενικά με τη μορφή ράβδου τάσης. Ωστόσο, λόγω του γεγονότος ότι στις δομές του drone, η δέσμη φορτίου συνδέεται συνήθως με το δέρμα και υποστηρίζεται από το δέρμα, το κρίσιμο στρες για αστάθεια που υπολογίζεται με τη μορφή ράβδου Euler είναι σχετικά συντηρητική.