Mô phỏng thả công cụ trên cánh ngoài của hệ thống máy bay không người lái SWIFT020 bằng RADIOSS®

Hồ sơ khách hàng

Phân tích và mô phỏng số là một trong nhiều kỹ thuật được sử dụng để giảm chi phí và thời gian thiết kế trong kỹ thuật kết cấu hàng không vũ trụ. Để đưa các kỹ thuật này vào phân tích explicit (tức là mô phỏng tác động) cho phép hình dung chính xác nhiều sự kiện động thường được tạo điều kiện bởi thử nghiệm video tốc độ cao đắt tiền, đánh giá không phá hủy và nỗ lực thử nghiệm và lỗi kéo dài. Kết quả ròng của các đánh giá này thường dẫn đến tăng trọng lượng để giảm rủi ro.

Swift Engineering, Inc., có trụ sở tại San Clemente, California là một công ty phát triển sản phẩm với hơn 30 năm kinh nghiệm thiết kế, phát triển và chế tạo các phương tiện composite tiên tiến hiệu suất cao, hệ thống không người lái và robot tự động. 

Swift chuyên thiết kế, phát triển và sản xuất các cấu trúc composite nhẹ, linh kiện và xe hơi. Được thành lập vào năm 1983 với tư cách là nhà phát triển xe đua hiệu suất cao hàng đầu, Swift đã áp dụng khả năng sản xuất compossite của mình cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và hàng không từ năm 1997. Swift đã nổi lên như một nhà thiết kế và sản xuất xe hơi hàng đầu, như đã được chứng minh thông qua hệ thống máy bay không người lái KillerBee thành công. (UAS), (bây giờ Northrop Grumman sở hữu Bat™ UAS family), Boeing Sikorsky Joint Multi-Role (JMR) Demonstrator (Full Airframe authority), the Eclipse Concept Jet program (hoàn thành trong 200 ngày từ hợp đồng đến chuyến bay đầu tiên), và nhiều dự án sản xuất composite in 3D hàng không vũ trụ và đại dương tương tự khác.

  "Bộ giải RADIOSS kết hợp với HyperMesh là công cụ trong việc thăm dò thiết kế nhanh chóng và hình dung tác động của tác động thả công cụ đối với cấu trúc cánh UAS composite có thành mỏng".

William B Gianetti
Kỹ sư nghiên cứu và phát triển cao cấp
Swift Engineering, Inc.
 

Sự cố rơi dụng cụ vào kết cấu máy bay

Sự ra mắt thành công của một nền tảng mới UAS (Hình 1) là một nỗ lực thiết kế và sản xuất toàn diện. Từ bản phác thảo ban đầu đến phóng đầy đủ chức năng; hệ thống bay tốc độ cao nằm ngang đòi hỏi hàng trăm giờ phân tích kỹ thuật. Ngoài việc thiết kế hệ thống bay, vòng đời đầy đủ phải xem xét bảo trì và thay thế các thành phần. Vì những yêu cầu này thường yêu cầu sử dụng các công cụ (tức là tua vít, cờ lê, kìm), mối quan tâm trở nên rõ ràng rằng vì bề mặt chuyến bay là độ dày tối thiểu, các công cụ nặng rơi trên cấu trúc có thể gây ra thiệt hại không thể khắc phục, thời gian dừng hoạt động và thay thế thành phần đắt tiền.

Mục tiêu của dự án này là xác định đặc điểm kỹ thuật cho trọng lượng công cụ bảo trì tối đa để, nếu rơi từ độ cao danh nghĩa là 0,762 mét, sẽ không gây thiệt hại vĩnh viễn cho bất kỳ phần nào của UAS Swift020. Để hoàn thành mục tiêu này, một mô hình rõ ràng của UAS đã được tạo ra trong HyperMesh®  và bị ảnh hưởng bởi một penetrator thép tại năng lượng thả được xác định. Một đường cong tham số của chủng nén composite tối đa so với năng lượng tác động và hạn chế căng thẳng cho vật liệu composite bị ảnh hưởng mang lại đặc điểm kỹ thuật cho trọng lượng công cụ tối đa.

RADIOSS Explicit Dynamics

Một mô hình quy mô đầy đủ của Swift020 đã được tạo ra trong HyperMesh (Hình 2). Các thành phần cấu trúc chính bao gồm graphite, sợi thủy tinh và vật liệu composite Kevlar® epoxy  tiên tiến được mô hình hóa bằng cách sử dụng tính chất vật liệu MAT25 trong RADIOSS. Phần lớn cấu trúc là độ dày tối thiểu để giảm trọng lượng vì các bề mặt khí động học là những khu vực dễ bị hư hại do tác động rơi từ trên cao của chúng.

Hình 1: Swift020 Unmanned Aerial System

Vật rơi được mô phỏng như một thanh đầu bán cầu đường kính 0,0254 mét. Vận tốc ban đầu (INIVEL) 3.867 m/s đã được áp đặt trên vật rơi để mô phỏng rơi từ 0,762 mét bằng cách sử dụng Bảo tòan Năng lượng. Năng lượng tác động được điều chỉnh bằng cách sử dụng mật độ của người khắc ghi trong thẻ vật liệu. Tiếp xúc RADIOSS TYPE7 được sử dụng giữa vật rơi và bề mặt cánh composite. Một sự tự tiếp xúc Type7 cũng được mô hình hóa cho tất cả các nút và bề mặt của máy bay.. Các điều kiện ranh giới máy bay được mô phỏng như hai giá treo cao su được đặt dưới cánh. Các tiếp xúc Type 7 được sử dụng giữa các giá treo cao su và bề mặt cánh. Cơ sở của các giá treo cao su bị hạn chế bởi một Chi tiết cứng (RBODY).
 

Hình 2: . Swift 020 UAS bị ảnh hưởng bởi một thanh thép ở trung tâm cánh ngoài liền kề với rìa 

Xác định trọng lượng công cụ tối đa

Một phân tích tham số về năng lượng tác động penetrator đã được thực hiện trong RADIOSS và kết quả được vẽ như được hiển thị trong Hình 3. Kết quả biến dạng nén tối đa được so sánh với biến dạng nén cho phép của hệ thống, dẫn đến giới hạn năng lượng công cụ và do đó giới hạn khối lượng công cụ cho vận tốc ban đầu không đổi.

Đối với trường hợp tác động lên bên ngoài cánh Kevlar® epoxy, năng lượng rơi của công cụ tối đa là 1,3 Joules. Từ mối quan hệ động năng,  khối lượng công cụ tối đa được xác định là 0,174 Kg.

Sử dụng giá trị này như một yêu cầu cho giới hạn trên về khối lượng công cụ, có thể giảm thiểu thiệt hại tác động giảm công cụ và do đó tăng độ tin cậy và giảm nguy cơ thiệt hại cấu trúc.

Hình 3: Biến dạng nén của composite lớp tối đa (P3min) như một hàm của Năng lượng tác động và biến dạng biên