Details

Объект исследования – несущая рама FPV-дрона X-типа типоразмера 5 дюймов; предмет исследования – влияние материала (алюминиевый сплав Al 6061-T6 и печатный нейлон PA12) на напряжённо-деформированное состояние и устойчивость конструкции. Цель работы – численное исследование влияния параметров аддитивного производства и выбора материала на прочностные и эксплуатационные характеристики рамы FPV-дрона методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS Workbench. Методы исследования. Конечно-элементное моделирование в ANSYS Workbench (модули SpaceClaim, Mechanical, Static Structural, Eigenvalue Buckling); элементы SOLID187 с обоснованием размера сетки по сходимости. Расчётная схема режима висения с полезной нагрузкой 2 кг включает жёсткую заделку мотогондол, гравитацию и реактивные крутящие моменты 760 Н·мм от вращения винтов; напряжённо-деформированное состояние определяется совместным действием изгиба и кручения. Применён критерий прочности фон Мизеса; достоверность подтверждена аналитической балочной моделью и сопоставлением с независимыми исследованиями. Основные результаты. Для алюминиевой рамы максимальный прогиб составил 0,12 мм, эквивалентные напряжения 42,5 МПа, коэффициент запаса прочности 6,5, запас устойчивости 237. Для нейлоновой рамы при идентичной геометрии прогиб возрос до 6,2 мм (в 52 раза), напряжения остались равными 42,5 МПа, а коэффициент запаса прочности составил лишь 1,06, что ниже нормативного минимума 1,2. Масса рамы при переходе на нейлон снижается на 65,6 % (со 180 до 62 г). Установлено, что при статически определимой схеме нагружения уровень напряжений не зависит от материала, вследствие чего определяющим фактором несущей способности становится предел текучести. Выводы и рекомендации. Нейлоновая рама в исходной геометрии не удовлетворяет критерию прочности при совместном действии изгиба и кручения. Для обеспечения работоспособности достаточно увеличить высоту сечения лучей с 3 до 4 мм (запас прочности возрастает до 1,88) либо применить армированный филамент PA12+CF. Алюминий предпочтителен для многоразовых конструкций. Полученные количественные результаты и рекомендации по выбору материала и параметрам FDM-печати позволяют обоснованно проектировать рамы FPV-дронов под заданное назначение.

Object of research – the load-bearing frame of a 5-inch X-type FPV drone; the subject of research is the influence of the material (aluminium alloy Al 6061-T6 and FDM-printed nylon PA12) on the stress-strain state and stability of the structure. Aim of the work – a numerical study of how additive-manufacturing parameters and material choice affect the strength and operational characteristics of an FPV-drone frame, performed by the finite element method in ANSYS Workbench. Research methods. Finite element modelling in ANSYS Workbench (SpaceClaim, Mechanical, Static Structural and Eigenvalue Buckling modules) using SOLID187 elements with a mesh size justified by a convergence study. The hover load case with a 2 kg payload includes fixed motor mounts, gravity and reactive torques of 760 N·mm from propeller rotation; the stress-strain state is therefore governed by the combined action of bending and torsion. The von Mises strength criterion is applied; the results are verified against an analytical beam model and independent published studies. Main results. For the aluminium frame the maximum deflection is 0.12 mm, the equivalent stress 42.5 MPa, the safety factor 6.5 and the stability factor 237. For the nylon frame with identical geometry the deflection rises to 6.2 mm (a 52-fold increase), the stress remains 42.5 MPa, while the safety factor is only 1.06 — below the normative minimum of 1.2. Switching to nylon reduces the frame mass by 65.6 % (from 180 to 62 g). It is established that, for a statically determinate load scheme, the stress level is independent of the material, so the yield strength becomes the decisive factor of load-bearing capacity. Conclusions and recommendations. In its original geometry the nylon frame fails to meet the strength criterion under combined bending and torsion. To ensure serviceability it is sufficient to increase the arm cross-section height from 3 to 4 mm (raising the safety factor to 1.88) or to use a reinforced PA12+CF filament. Aluminium is preferable for reusable structures. The obtained quantitative results and the recommendations on material choice and FDM-printing parameters enable a well-grounded design of FPV-drone frames for a given application.