Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Strength analysis of sport quadcopter composite frame

Jan Tomasz Siwek

Abstract

The objective of the thesis is to analyze the strength of a sport quadcopter structure based on the GEP-ZX5 frame from GEPRC. The model was used during the competition, then the idea of testing its strength and weight reduction was born. 3D model is taken from the author's private resources, made using the SolidWorks 2018 program. At the beginning, a flight tests were carried out, consisting of colliding the model with obstacles. In order to determine the value of forces acting on him. The values of the maximum accelerations experienced by the structure during the tests were read. The forces were calculated and the largest one was selected, which is 77.14 N. Due to the lack of the possibility of unambiguously determining the point of load application during collisions, the most unfavorable case was taken during further calculations. Three load patterns were adopted: bending in the direction perpendicular to the plane of the arm, bending in the direction of the arm plane and torsion (torque generated by applying force to the motor shaft, perpendicular to its axis and at the height of the propeller assembly). In order to select model parameters, analytical and MES verification calculations (in the Abaqus CAE program) were performed for beams similar in dimensions to arms in the real model. On their basis, parameters such as the density of the mesh, the method of entering material data (ortotropic layers or fabric layers with plain weave) were selected, as well as the correctness of boundary conditions. After reaching a discrepancy of results at the level of 4.1%, the model was allowed for further proceedings. The highest stress values obtained during the calculation were compared. Then the surface model of the quadcopter frame was imported into the Abaqus program. A assembly was made and then calculations for previously determined three cases. The stresses were read separately for each significant element of the structure. Thanks to this, the possibilities of modifying individual components of the frame can be determined. Elements such as the central plate or cross have shown the opportunity to reduce their weight. However, the arm requires adding material or changing its composite structure, because in the layer 45ᴼ (third layer, counting from the surface) the stress exceeded the limit of tensile strength by 1.1 MPa.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Jan Tomasz Siwek (FACME) Jan Tomasz Siwek,, Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Title in Polish
Analiza wytrzymałościowa kompozytowej ramy czterowirnikowca sportowego
Supervisor
Michał Hać (FACME/IMDF) Michał Hać,, Institute of Machine Design Fundamentals (FACME/IMDF)Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Jarosław Mańkowski (FACME/IMDF) Jarosław Mańkowski,, Institute of Machine Design Fundamentals (FACME/IMDF)Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Certifying unit
Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Affiliation unit
Institute of Machine Design Fundamentals (FACME/IMDF)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
02-07-2019
Issue date (year)
2019
Internal identifier
SIMR; D-2166
Reviewers
Piotr Żach (FACME/IMDF) Piotr Żach,, Institute of Machine Design Fundamentals (FACME/IMDF)Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME) Jarosław Mańkowski (FACME/IMDF) Jarosław Mańkowski,, Institute of Machine Design Fundamentals (FACME/IMDF)Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Keywords in Polish
Wyścigi dronów, Kompozyt epoksydowo-węglowy, Metoda Elementów Skończonych, Quadkopter, Badania w locie, FPV
Keywords in English
Drone Racing, Epoxy/carbon composite, Finite Elements Method, Quadcopter, Flight tests, FPV
Abstract in Polish
Celem pracy jest analiza wytrzymałości konstrukcji czterowirnikowca sportowego, powstałego na bazie ramy GEP-ZX5 firmy GEPRC. Model używany był podczas zawodów, wtedy to zrodziła się idea zbadania jego wytrzymałości i redukcji masy. Model 3D zaczerpnięty z prywatnych zasobów autora, wykonany za pomocą programu SolidWorks 2018. Na początku wykonano badania, polegające na zderzaniu modelu z przeszkodami. W celu określenia wartości działających na niego sił. Odczytane zostały wartości maksymalnych przyśpieszeń jakich doświadczyła konstrukcja podczas badań. Obliczono siły i wybrano największą, która wynosi 77,14 N. Ze względu na brak możliwości jednoznacznego określenia punktu przyłożenia obciążenia przy zderzeniach, podczas obliczeń wybrano najbardziej niekorzystny przypadek. Przyjęto trzy schematy obciążenia: zginanie w kierunku prostopadłym do płaszczyzny ramienia, zginanie w kierunku na płaszczyźnie ramienia oraz skręcanie (momentem skręcającym wytworzonym przez przyłożenie siły do wału silnika, prostopadle do jego osi i na wysokości montażu śmigła). By dobrać parametry modelu, na początku przeprowadzono obliczenia sprawdzające analityczne i MES (w programie Abaqus CAE) dla belek zbliżonych wymiarami do ramion w modelu rzeczywistym. Na ich podstawie dobrano parametry takie jak gęstość siatki, sposób wprowadzenia danych materiałowych (warstwy ortotropowe czy warstwy tkaniny o splocie płóciennym) oraz poprawność warunków brzegowych. Po osiągnięciu rozbieżności wyników na poziomie 4,1 % model dopuszczono do dalszych badań. Porównywane były największe wartości naprężeń uzyskane podczas obliczeń. Następnie model powierzchniowy ramy czterowirnikowca importowano do programu Abaqus. Wykonano złożenie oraz obliczenia dla wcześniej określonych trzech przypadków. Odczytano naprężenia osobno dla każdego istotnego elementu konstrukcji. Dzięki temu można określić możliwości modyfikacji poszczególnych podzespołów ramy. Elementy takie jak płytka centralna lub krzyżak wykazały sposobności obniżenia ich masy. Jednak ramię wymaga dodania materiału lub zmiany jego kompozytowej struktury, gdyż w warstwie 45ᴼ (warstwa trzecia, licząc od powierzchni) naprężenia przekroczyły wartość graniczną wytrzymałości na rozciąganie o 1,1 MPa.
File
  • File: 1
    Jan_Siwek_-_praca_dyplomowa.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 34297

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTdcc7ec98fe154baf80b5e62df43314b9/
URN
urn:pw-repo:WUTdcc7ec98fe154baf80b5e62df43314b9

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page