碳纤维复合材料用于无人机的设计和关键技术

碳纤维复合材料用于无人机的设计和关键技术

王丽娜 曹正阳 张明

西安爱生无人机技术有限公司 ,陕西 西安 710065

摘要:碳纤维复合材料在实际应用的过程中有着较轻的整体质量和良好的物理化学特性,如果在无人机上能够得到应用则可以表现出良好的应用效果,文章就此展开分析｡

关键字:碳纤维;无人机;设计技术

前言

无人机设计过程中,材料的选择较为困难,碳纤维复合材料有着良好的应用特性和外观,文章就此指出了相关的设计内容和工艺体系,希望可以促进成本的降低和结构的优化｡

相关背景

无人驾驶飞机(简称“无人机”,英文缩写UAV)自诞生以来,减轻质量即成为世界各国无人机科技工作者们共同关注的研究热点之一｡只有将机体结构质量降下来,才能节约出更多的质量空间来增加燃油和有效载荷,延长飞行距离和续航时间｡随着碳纤维复合材料在大型民用客机上的广泛应用,其在无人机上也被认为是解决减轻质量难题的最佳选择｡与传统的金属材料及复合材料相比,碳纤维复合材料具有轻质高强､抗疲劳和防盐雾侵蚀的特性,应用于无人机结构中可以大大改善和提高无人机的综合性能｡据统计,目前,世界各国都在无人机上大幅度使用以碳纤维复合材料为主的先进复合材料,占到了结构总质量分数的60%¯80%,使机体减质量25%以上｡碳纤维复合材料的应用对无人机结构的轻质化､小型化和高性能化起到了至关重要的作用｡

碳纤维复合材料应用在无人机上的优势

碳纤维复合材料相比传统金属材料,具有密度小､比强度高､比模量高､良好的抗疲劳特性和抗震性能等,并且具有良好的可设计性,在航空领域中应用越来越广泛｡碳纤维复合材料具有材料和工艺的可设计性,不同的铺层角度和不同的铺层顺序,其力学性能完全不一样｡当结构各位置受力差异较大时,在复合材料层合板的不同位置改变局部的铺层层数和铺层顺序就显得尤为重要｡六旋翼无人机正是一种各位置受力差异较大的结构,并且轻量化要求高,因此研究非均匀铺层优化设计方法对机身的设计非常重要｡本文以质量最小为优化设计目标,同时考虑制造工艺可行性,采用自由尺寸优化､尺寸优化和铺层顺序优化相结合的三阶段非均匀铺层优化设计方法对碳纤维复合材料六旋翼无人机机身铺层进行优化设计,并研究比较了优化前后无人机机身的质量和性能差异｡

设计内容

无人机飞行过程中的最严重工况是飞行过程中电机突然停转,飞手立即把电机加到最大功率,以此工况为设计工况｡无人机满载15.5kg,每个电机最大升力为82.5N｡在设计工况下,无人机没有约束,采用线性静力分析无法平衡外载荷,所以需要采用惯性释放分析｡在惯性释放分析中,先计算外力作用下结构的加速度,然后把惯性力分布在整个结构上与外载荷平衡,提供一种稳态的应力和变形｡

4.1优化设计概述

为了能充分利用碳纤维复合材料的性能,本文采用非均匀铺层优化设计方法对无人机机身进行铺层优化设计｡该方法分为三步,优化设计的第一阶段采用OptiStruct开展自由尺寸优化,优化每个单元每一个纤维方向铺层的厚度,确定碳纤维复合材料每一个纤维方向铺层的厚度分布｡第二阶段采用OptiStruct开展尺寸优化,优化每个纤维方向铺层的厚度,确定每个纤维方向铺层层数｡第三阶段采用OptiStruct开展铺层顺序优化,使铺层顺序满足铺层设计要求,获得最终铺层方案｡

4.2自由尺寸优化

自由尺寸优化前先将铺层设置为0°､90°和±45°的4个铺层,每个铺层厚度为2mm｡自由尺寸优化模型描述如下｡(1)设计变量:每个单元的每一纤维方向铺层厚度｡(2)目标函数:无人机机身质量最小｡(3)约束条件:①模型最大位移小于3mm;②铺层相对层合板的几何中心面对称;③±45°铺层厚度分布相同;④每个纤维方向铺层的最小比例大于10%;⑤每个纤维方向铺层厚度分布左右､前后对称｡经过50步迭代计算后,得到自由尺寸优化后的4个不同纤维方向铺层厚度分布2.3尺寸优化在自由尺寸优化后得到不同纤维角度铺层的最佳厚度分布,OptiStruct根据厚度梯度和厚度分布范围自动把每个纤维角度铺层分成多个铺层｡为减小剪裁和铺置碳纤维预浸料的难度和工作量,去掉宽度过小的铺层,调整其它保留的铺层｡在这一优化阶段,优化调整后的每个铺层厚度,其中厚度值为离散值,是单层铺层厚度的倍数｡在尺寸优化阶段考虑材料的强度,本文采用Tsai_Wu张量多项式准则,当破坏指数,复合材料在弹性变形阶段,材料没有破坏;复合材料开始塑性变形｡尺寸优化模型描述如下:(1)设计变量:调整后的每个铺层的厚度｡(2)目标函数:无人机机身质量最小｡(3)约束条件:①自由尺寸优化的约束;②经过17步迭代计算后,得到尺寸优化后的4个不同纤维方向铺层厚度分布。尺寸优化后,OptiStruct根据每个真实物理层的厚度,自动创建实际的物理铺层数量｡本优化模型共创建了0°铺层14层,45°铺层6层,-45°铺层6层,90°铺层22层｡

4.3铺层顺序优化

铺层顺序优化阶段主要是在保证工艺性能的基础下提高力学性能｡铺层顺序优化模型描述如下｡将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料,单向连续纤维用环氧树脂粘结剂沿受拉方向,或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上形成一个新的复合体,使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同受力,增大结构的抗裂或抗剪能力,提高结构的强度､刚度､抗裂性和延伸性｡(1)设计变量:所有铺层的顺序｡(2)目标函数:无人机机身质量最小｡(3)约束条件:①尺寸优化的约束;②具有同一纤维方向铺层的层数为3;③外表面铺层的纤维方向为±45°｡经过2步迭代计算后,得到最终的机身铺层优化设计方案｡优化后的机身总质量为0.987kg;最大位移为2.923mm,小于约束的3mm;最大为0.085,小于1,材料处于塑性阶段｡若采用均匀铺层设计,其总质量为1.974kg､最大位移为2.829mm､最大为0.089｡在满足力学性能和工艺性能要求下,采用非均匀铺层优化设计方法设计的铺层方案比采用均匀铺层优化设计方法设计的铺层方案轻了0.987kg,减重率高达50%｡碳纤维复合材料六旋翼无人机机身非均匀铺层优化设计通过采用自由尺寸优化､尺寸优化和铺层顺序优化3个阶段的优化后,在满足刚度､强度和工艺性能要求的前提下,无人机机身重量比均匀铺层优化设计方案减少了50%,轻量化效果明显,证明此非均匀铺层优化设计方法对基于铺层的复合材料复杂结构铺层优化设计是有效的｡

结束语

碳纤维的相关研究不断深入,其复合材料已经应用到了越来越广泛的领域当中,无人机设计过程中如果可以应用这一材料也会得到良好的应用效果,文章从这一点出发进行分析｡

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