小型无人飞机机翼结构材料选择与工程分析

小型無人飛機機翼結構材料選擇與工程分析南台科技大學工程力學實驗室指導教授:劉乃上副教授研究生:閻星翰1大綱前言小型無人飛機設計材料與實驗方法模擬分析結果與討論結論與未來事項2前言無人飛機由遙控或自動駕駛技術控制，可進行監測、偵查、作戰等任務。機體空間運用彈性大、成本低、無須考慮人員意外風險等特性。目的探討使用不同材料製作方式製作小型無人飛機機翼結構時其機械性質的特性。相關探討將有助於開發出低成本、可靠度佳、輕量化之小型無人飛機。3小型無人飛機設計機型選擇高翼機主翼在機身上方重心位置低於主翼具飛行穩定性、浮力好靈活度不佳4高翼機設計概念圖小型無人飛機設計翼形選擇常用高翼機翼形NACA2410、NACA2412、CLARKYNACA2410NACA2412CLARKY5翼形CL(α=0°)NACA24100.259NACA24120.263CLARKY0.40225網路上翼形資料庫[1]之昇力數據αF小型無人飛機設計機翼結構常用之材質保麗龍、EPP、巴沙木、碳纖維、FRP(玻璃纖維)材質對機翼結構之影響重量剛性強度成型方法(加工性)價格6材料與實驗方法7樣品製備準備試片巴沙木(縱向、橫向木紋)保麗龍EPP機翼巴沙木機翼保麗龍機翼EPP機翼測試方法壓縮試驗三點彎曲試驗重量比較巴沙木(橫向)巴沙木(縱向)保麗龍EPP保麗龍、EPP、巴沙木機翼壓縮試驗巴沙木(橫向、縱向)位移速率:0.1mm/sec最大力量:4000N保麗龍位移速率:0.1mm/sec位移:20mmEPP位移速率:0.1mm/sec位移:20mm8材料與實驗方法EPP巴沙木(橫向)巴沙木(縱向)保麗龍三點彎曲試驗巴沙木(橫向、縱向)位移速率:0.1mm/sec保麗龍位移速率:0.1mm/secEPP位移速率:0.1mm/sec位移:30mm9材料與實驗方法EPP巴沙木(橫向)巴沙木(縱向)保麗龍10材料與實驗方法重量比較量測材料之重量樣品尺寸-20x20x40mm材料：巴沙木(橫向)、巴沙木(縱向)保麗龍、EPP量測機翼之重量樣品尺寸-CLARKY弦長180mm材料：巴沙木、保麗龍、EPP量測材料之重量量測機翼之重量翼形昇力分析驗證CFD有限元素分析分析翼形CLARKYNACA2410NACA2412邊界條件無黏滯流攻角α=0∘11模擬分析翼形昇力分析C型網格(a)網格分佈放大(b)整體網格分佈壓縮試驗應力-應變圖12結果與討論EPP巴沙木(橫向)巴沙木(縱向)保麗龍壓縮試驗不同材質平均應力-應變圖13結果與討論樣品楊氏模數(MPa)巴沙木(橫向)80巴沙木(縱向)457保麗龍1.69EPP1.40三點彎曲試驗力量-位移圖14結果與討論EPP巴沙木(橫向)巴沙木(縱向)保麗龍三點彎曲試驗15結果與討論樣品抗彎強度σmax(MPa)最大剪應力τmax(MPa)最大韌性δmax(mm)巴沙木(橫向)12.41.084.54巴沙木(縱向)1.850.164.47保麗龍0.120.0113.77EPP0.140.01230重量比較16結果與討論樣品重量(g)巴沙木(橫向)1.85~3巴沙木(縱向)保麗龍0.15EPP0.35量測材料之重量量測機翼之重量樣品重量(g)巴沙木62.5保麗龍18EPP40.5模擬分析翼型昇力分析驗證17結果與討論NameReferenceCLAnalysisCLDifferenceCLARKY0.402250.4329437.63%NACA24100.2590.250757-3.18%NACA24120.2630.255008-3.04%翼型昇力比較表結論由實驗結果可以看出，剛性的部份巴沙木比保麗龍、EPP大約47倍以上，而強度超過15倍。韌性的部份EPP較保麗龍大2倍，保麗龍比巴沙木大3倍。保麗龍則是三者中重量最輕，比EPP輕2倍，三者各具特色。製作部分以巴沙木製作機翼較環保但耗時長，約一個工作天，而保麗龍、EPP機翼製作只需要約半小時。18結論與未來事項結論為提升小型無人飛機機翼結構剛性、強度，選用巴沙木作機翼結構材料較合適，但保麗龍和EPP之剛性與強度的改良可以包覆複合材料(FRP)之方式來解決，且使用保麗龍或EPP可提升小型無人飛機輕量化。19結論與未來事項未來事項材料試驗中加入FRP披覆於保麗龍、EPP，比較其剛性、強度、重量等複合材料特性。加入機翼結構彎曲試驗，探討各材質機翼之強度、重量等特性。利用有限元素分析探討不同材質機翼之模態及材料特性參數，針對不同材質機翼進行小型無人飛機流固耦合(FSI)分析。製作所設計之小型無人飛機，透過實際飛行比較不同材質機翼之飛行情況。20結論與未來事項參考文獻21[1]AirfoilInvestigationDatabase,[2]徐明濠，無人飛行載具製作及性能測試，中華科技大學，民國99年。[3]陳永增，鄧惠源，機械材料實驗，高立圖書有限公司，民國90年。謝謝各位聆聽22