Суббота, 23 января 2021 07:21

Нагрузочный анализ рамы квадрокоптера

Делаю новый квадрокоптер с нуля. Один из сложных элементов это рама. У меня она сделана из стеклотекстолита толщиной 1.3мм и алюминиевых полых квадратных лучей. Встал вопрос — как максимально облегчить раму, чтобы она оставалась достаточно прочной. В лучах нужно просверлить отверстия, а в стеклотекстолите вырезать целые области. Придумав как вырезать (с учётом размещения электроники), я задумался о том, как проверить что рама выдержит нагрузки и не разрушится в полете. Кстати экономия на весе получилось целых около 60гр.

Естественно я начал с расчетов. Вычислил максимальные нагрузки в полете. Имеем четыре мотора, максимальная тяга каждого 700 грамм (замеры я произвёл ранее), вес мотора 35гр и вес алюминиевых всех лучей 40гр, еще 30гр — крепление моторов. Получается общая тяга — 2800г минус 210г (35*4+40+30) итого получилось 2.6 кг. Расчётный вес центральной части (без винтомоторной группы) вместе с аккумулятором — 500гр, его нужно прибавить к тяге моторов, так как направления силы тяжести и тяги моторов разнонаправленны. Итоговая максимальная нагрузка на основной каркас рамы составляет 3кг и приложена она по плоскости аккумулятора.

Первая мысль которая пришла в голову — сделать макет из какого-то простого в обработке материала и протестировать на уменьшенном весе. Отлично подошёл для этих целей ПВХ пластик толщиной 3мм. Рама готова.




В ней необходимо вырезать все отверстия как планируется в финальной модели. Готов. Теперь нужно рассчитать во сколько раз стеклотекстолит прочнее ПВХ пластика. Для этого нам понадобиться модуль упругости. Для ПВХ пластика он составляет около 1300 Мпа. Стеклотекстолит имеет модуль упругости 21 000 Мпа (поперек слоёв). То есть примерно в 16 раз, но толщина стеклотекстолита будет в 2 раза меньше. Это тоже нужно учесть. Получем, что конструкция из ПВХ пластика выдержит в 8 раз меньший вес. Нужно чтобы она выдержала 350грамм. Кладем на неё аккумулятор (он весит 400грамм) — ничего не ломается! Это уже хорошо.

Как вы понимаете такой расчёт не очень точный. Хотелось бы иметь какой-то инструмент понадежнее. И он есть.

Для подготовки 3D моделей я часто использую Autodesk Inventor. Он имеет модуль анализа напряжений. Проведём в нем исследование новой рамы. Для этого необходимо:

  • создать элементы рамы квадрокоптера в Inventor — слои стеклотекстолита и лучи

  • сделать сборку, отразив связи между слоями и лучами

  • перейти в режим анализа и в нем отразить действующие силы

  • изучить полученные данные и сделать выводы

Этим и займёмся. Не буду здесь рассказывать как пользоваться этим продуктом, в сети вы найдёте и сам продукт и уроки по нему. Покажу лишь полученные результаты.




Вот сделанная сборка в Inventor. Все что нужно внесено. Лучи (в том виде как они будут — с просверленными отверстиями, для облегчения), слои стеклотекстолита с вырезанными окошками для облегчения конструкции и даже аккумулятор (в принципе он не нужен).

На сборке обязательно нужно задать все взаимосвязи, во всех местах упрочнения рамы (болты, стойки и т. д.).


Далее переходим в среду анализа напряжений. Создаём новое исследование, статический анализ со следующими параметрами:


Теперь задаём действующие силы. Силу тяжести не используем.


Силы задаются в Ньютонах, 5Н = примерно 500грамм.


И начинается самое интересное — анализируем, делаем выводы. Да, еще один момент. В инвенторе нет такого материала как стеклотекстолит, его нужно добавить. Я скопировал ABS пластик и поправил параметр модуль юнга и предел прочности растяжения на такие:


Вот теперь можно проводить анализ и получать красивые картинки. Что нам нужно в анализе в первую очередь: Коэффициент запаса прочности и смещение по оси Z.


По цвету можно определить места перегрузки, в них рама может сломаться. В идеале коэффициент должен быть не менее 2. Двойной запас прочности. По графику прогиба можно также определить места, где стоит упрочнить конструкцию.


Вот такой мощный инструмент позволяет сделать расчёт нагрузок и подстраховаться ещё до вылета. Ну а дальше любую теорию надо проверять на практике. После выпиливания и сборки рамы проводим тест нагрузки. Ставим на раму бутылку с водой — 2.5кг — рама выдерживает. Результат отличный!


Как видно сама рама практически не прогибается. Для успокоения совести предстоит ещё один тест. После установки всех моторов, зафиксировать жёстко раму и газ в пол.

Read 1134 times