碳纖維無人機機身復合材料結構

2019-04-23 08:57


碳纖維無人機機身復合材料結構

碳纖維無人機外殼
 
為了保證無人機的承載能力和延長續航能力,其外殼結構需剛度大、重量輕。目前無人機外殼件一般采用工程塑料,但逐漸被碳纖維復合材料替代。碳纖維復合材料重量輕、比剛度大、強度高,可以一體制作出各種外形結構。是目前應用無人機外殼最優材料,而且不可替代。碳纖維除了質量輕,還具有突出的強度、韌性、耐候性等特性,能有效防止跌落等情況對機體的損傷,增強機體的抗沖擊性能等,這也都是無人機對殼體材料的關鍵需求。碳纖維是一種非金屬材料,電化學活性低,具有優秀的耐腐蝕和抗老化性能,能夠有效延長無人機的使用壽命。
 
碳纖維無人機機身復合材料結構
碳纖維無人機機身復合材料結構
 
一種碳纖維無人機機身復合材料結構,包括機身,其特征在于:所述機身由上蓋、中心架體和下蓋組成,所述下蓋下端設置有起落架,所述機身側面設置有旋翼臂,所述旋翼臂末端設置有機座,所述機身、所述旋翼臂和所述機座均為一體結構,所述中心架體和所述旋翼臂內安裝有骨架,所述機座內安裝有電機,所述電機上端安裝有螺旋槳,所述中心架體與所述上蓋結合處還安裝有開蓋器。
 
碳纖維復合材料具有高比強度和高比剛度,能大大減輕無人機的機身重量,從而降低無人機的載荷成本和增加無人機的有效載荷量,延長機體的飛行距離和飛行時間,對無人機結構的輕質化、小型化和高性能化意義重大,成為新一代無人機的理想材料。
 
以滬國碳纖維復合材料科技為一款重載四旋翼無人機提供的碳纖維部件為例,這款無人機滿額起飛重量為25kg,有效載荷為11kg,軸距為1700mm,空載續航為40min,滿載續航為20min,客戶要求該款無人機的結構強度和結構穩定性安全系數都要達到2.0。這款無人機整體結構主要包括中心板、機臂和起落架這三部分。滬國碳纖維復合材料科技主要負責碳纖維機臂和中心板部分的制作。其中,機臂尺寸長610mm,寬37mm、高47mm。
 
碳纖維無人機機身復合材料結構
碳纖維無人機機身復合材料結構
 

滬國碳纖維復合材料科技發現當機臂在使用碳纖維復合材料【0°】7的鋪層方案時,機臂的結構強度及穩定性均高于設計強度及穩定性系數2.0的要求。而強度及穩定性過剩必然導致結構材料冗余,增加了無效機重,給飛行效率及成本帶來負面影響。因此,必須通過碳纖維復合材料的鋪層優化,使機臂既能滿足設計強度和穩定性的要求,又能保持相對較低的機體重量。滬國碳纖維復合材料科技通過多次實驗比較,選擇采用碳纖維復合材料【0°】4的鋪層方案,這樣,單根機臂重量僅有130g,相比【0°】7的鋪層減重了60g,整機實現減重240g。同樣,在碳纖維復合材料優異的抗拉壓性能保證下,中心板也采用碳纖維鋪層優化方案,采用上中心板【0°/45°/90°/45°】s,下中心板鋪層為【0°/45°/90°】s。這樣,整個中心板的重量僅為377g,實現了滿足設計強度及穩定性要求下的輕量化。
 
 碳纖維材料質輕而高強,物理化學性能都非常好,如今的航拍機、植保機、模型玩具飛機等飛行器都偏向于使用這種高新材料,深受人們歡迎。性能方面:和金屬相比,鋁合金的重量算是低的,根據加入合金元素的不同而不同,密度一般在2.2~2.8g/cm^3左右,抗拉強度在300MPa左右,彈性率及剛性較低。鋁本身是很容易受腐蝕的材料,但鋁合金的抗腐蝕性能很好,它在空氣中能形成一層氧化膜,阻止腐蝕的進一步發生。碳纖維復合材料的密度只有1.6g/cm^3,強度比鋼材還要高,且抗震、耐高溫、耐低溫、熱膨脹系數低,和鋁合金相比更勝一籌。
 
 碳纖維管的成型工藝多樣,可以使用纏繞、模壓、拉擠以及熱壓罐成型。和鋁合金材料相比,它一體成型方便,可減少零配件的使用,簡化結構,減輕重量。
 
 碳纖維的價格要比鋁合金高,不過隨著經濟的發展,它的價格逐漸趨于平民化。而且使用輕質的碳纖維材料,能減少無人機的能源消耗,對環境保護也有重要意義,從長遠角度看,經濟效益顯著。
 
碳纖維無人機機身復合材料結構
碳纖維無人機機身復合材料結構
 
 碳纖維同其它結構材料相比它的密度極小,可以很好的解決無人機自重過大的問題,并且,利用碳纖維制作的無人機外殼能夠減少能源消耗,有效緩解我國能源緊張的問題。低碳、節能、環保也是
 
利用一體化成型工藝減重:
 
碳纖維復合材料的成型工藝包括:編織纏繞、真空輔助成型、RTM、真空熱壓罐、模壓等等。無人機需要高度翼身融合的飛翼式總體啟動外形,所以在氣動外形上要盡量做到精準。因此,無錫威盛新材建議,使用碳纖維復合材料制作無人機機體時,盡可能地采用大面積的一體化成型工藝。因為一體化整體成型還可以避免因分片制備部件、拼接組裝等帶來的連接問題和連接贅重,從而實現結構減重。
 
從目前情況看,在無人機上使用碳纖維復合材料是減輕機體重量和增強機身機翼結構強度的有效途徑,但是這也需要適用于無人機的碳纖維復合材料在材料設計及工藝體系方面進行配合,才能有效突出和利用碳纖維復合材料的特殊優勢。
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