科普:无人机应用碳纤维复合材料减重的几种方法

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小型无人机普遍具有载荷小、飞行高度低、速度慢、续航时间短等性能劣势,因为作业环境复杂,机体的毁伤频率也比较高,传统的铝合金等金属材质已经远远不能满足无人机在性能方面的发展需求。碳纤维复合材料具有高比强度和高比刚度,能大大减轻无人机的机身重量,从而降低无人机的载荷成本和增加无人机的有效载荷量,延长机体的飞行距离和飞行时间,对无人机结构的轻质化、小型化和高性能化意义重大,成为新一代无人机的理想材料。从材料本身来说,使用碳纤维复合材料至少能比铝合金材料减重30%以上,但是在实际的应用中,要想最大化地体现出碳纤维复合材料的轻量化优势还需从以下几个方面着手。

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利用铺层设计减重:

碳纤维复合材料具有高度的各向异性,复合材料纵向(纤维方向)的弹性模量和强度较强,横向(垂直纤维方向)的弹性模量和强度则相对较弱。可以通过铺层结构的合理设计,利用复合材料的非对称和非均衡铺层产生的耦合效应,把复合材料结构刚度和结构弹性完美结合起来,使碳纤维复合材料的优势力学性能方向沿结构的传力路径布置,从而有效利用了每一丝束的承载能力,最大限度地发挥出其力学性能优势。

以无锡智上新材为一款重载四旋翼无人机提供的碳纤维部件为例,这款无人机最大起飞重量为25kg,最大有效载荷为11kg,轴距为1700mm,空载续航为40min,满载续航为20min,客户要求该款无人机的结构强度和结构稳定性安全系数都要达到2.0。这款无人机整体结构主要包括中心板、机臂和起落架这三部分。无锡智上新材主要负责碳纤维机臂和中心板部分的制作。其中,机臂尺寸长610mm,宽37mm、高47mm。无锡智上新材发现当机臂在使用碳纤维复合材料【0°】7的铺层方案时,机臂的结构强度及稳定性均高于设计强度及稳定性系数2.0的要求。而强度及稳定性过剩必然导致结构材料冗余,增加了无效机重,给飞行效率及成本带来负面影响。因此,必须通过碳纤维复合材料的铺层优化,使机臂既能满足设计强度和稳定性的要求,又能保持相对最低的机体重量。无锡智上新材通过多次实验比较,选择采用碳纤维复合材料【0°】4的铺层方案,这样,单根机臂重量仅有130g,相比【0°】7的铺层减重了60g,整机实现减重240g。同样,在碳纤维复合材料优异的抗拉压性能保证下,中心板也采用碳纤维铺层优化方案,采用上中心板【0°/45°/90°/45°】s,下中心板铺层为【0°/45°/90°】s。这样,整个中心板的重量仅为377g,实现了能满足设计强度及稳定性要求下的最轻重量。

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利用夹芯结构减重:

碳纤维复合材料结构构型设计灵活多变,三明治夹芯结构也是一种重要的结构减重方法。三明治夹芯结构就是在相对较厚的芯材两侧贴附薄却有足够刚度的面板,这种结构在承受弯曲载荷时,上下面板之间存在一定的距离,结构上反而能获得更大比例的刚性。以碳纤维增强复合材料作为蒙皮,芯材可选用XPS、EPP、PMI等具有一定硬度和抗压能力的轻质泡沫塑料,使之形成碳纤维-芯材-碳纤维的复合夹芯结构。这种三明治夹芯结构在保持力学性能的同时还能显著减轻重量,尤为重要的是还可以在一定程度上降低成本。这种方法多用于较为大型的无人机机体部件,在碳纤维医疗床板中也较为常见,在小型无人机中也是一种可以考虑的方案。

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利用一体化成型工艺减重:

碳纤维复合材料的成型工艺包括:编织缠绕、真空辅助成型、RTM、真空热压罐、模压等等。无人机需要高度翼身融合的飞翼式总体启动外形,所以在气动外形上要尽量做到精准。因此,无锡智上新材建议,使用碳纤维复合材料制作无人机机体时,最好采用大面积的一体化成型工艺。而且,一体化整体成型还可以避免因分片制备部件、拼接组装等带来的连接问题和连接赘重,从而实现结构减重。

从目前情况看,在无人机上使用碳纤维复合材料是减轻机体重量和增强机身机翼结构强度的有效途径,但是这也需要适用于无人机的碳纤维复合材料在材料设计及工艺体系方面进行配合,才能最大化地体现和利用碳纤维复合材料的特殊优势。

 

 

 

 

 

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