近年、無人航空機(ドローン)は農業、インフラ点検、災害調査、その他の産業用途からレジャー用途まで、さまざまな分野で幅広く使用されています。UAVには様々なタイプがありますが、主流は動きと高さを制御するための4つ以上のローターを備えたマルチローター航空機です。マルチウィング胴体は、ペイロードを増加させるために軽量で、推力をサポートするために剛性でなければなりません。構造は製造が容易であるが、複数部の関節による重量増加や、材料形状によるボディ構造の制限など、いくつかの問題を考慮する必要がある。移植性と機能性を達成するためには、3D CFRPを使用して機体を製造するのに理想的な方法です。材料配置を最適化することで、一定量の不要な材料を排除することができ、繊維は負荷に対する異方性を利用するように配向することができます。トポロジーによる胴体構造の最適化 共同チームは、既存の胴体を基礎として、上部の初期形状を解析用に設計しました。既存の胴体の設計にはエッジがありますが、金型の加工性を考慮して、滑らかで連続したサーフェスと適切なドラフト角度を再設計します。中心は平らでGPS受信機アンテナを収容できる。
解析の初期形状モデル。中心は平らでGPS受信機アンテナを収容できる。
●既存体は厚さ約1.5mmのABS樹脂製で、完全に閉じた袋状のモノマーシェル構造を持っています。このため、厚さ 2 mm のシェルを解析モデルとして使用して、設計範囲を計算します。カーボンファイバーはGPSアンテナ周辺の平坦なエリアに配置されるため、この領域は設計範囲に含まれていません。胴体は、胴体の上部と下部で構成され、複数のジョイントとネジで接続されています。締結状態は、ねじ位置要素をリンクすることでシミュレートされます。境界条件とトポロジー最適化結果
航空機が空中をホバリングすると、体は測定または推定が困難な様々な力を受けます。本プロジェクトでは、実条件を用いずにモデルケースとして、チームは荷重が取り付けられるベースを固定し、ロータの四隅に適用される6つの異なる荷重/トルク変動(荷重ケース)の条件を作成しました。次に、6つの異なる荷重ケースの下で最高の剛性を生み出す形状が決定されます。この論文の解析結果は、特定のモデル状況の最適化結果であり、実際の機械に広く適用することはできません。
最適化結果に従って形状を再設計する 6 つの荷重ケースすべてを考慮すると、最適化の結果は、比較的均一なグリッド パターンで完全に覆われた形状になります。複数の境界条件を設定すると、高スループットの結果が得られる可能性があります。解析の結果は有限要素メッシュデータで、CADデータとしては使用できません。したがって、改良された胴体形状は、結果に応じて再構築されます。製造方法:カスタマイズされた繊維配置技術(TFP)カスタマイズされた繊維配置は、連続した長炭素繊維の束がベースクロスに縫い付けられるプリフォームを作るために使用される方法の1つです。この方法は航空機部品などで適用されていますが、日本では商業的な事例はほとんどなく、早急に技術を確立することで今後の事業展開が期待できます。本研究では、この方法を用いることで、異方性を失うことなく航空機の性能を高めるために最適化結果に従って炭素繊維を配置する。プリフォームは平面形式で作成されるため、形成後の形状が平坦で展開されるように、形成プロセス中に3D形状を金型で再構築できるように、プリフォームを設計する必要があります。
VARTM CFRP成形VARTMは、成形に金型を使用し、液体樹脂含浸中に真空圧吸引を施す樹脂転写成形(RTM)技術です。プリフォームは片面アルミニウムモールド(胴体の外面にメス型)に入れ、袋詰め材で密封されます。真空吸引は、熱硬化性樹脂の含浸を助けるために使用され、その後オートクレーブで硬化する。プリフォームのサイズが若干大きいため、最初のプロトタイプの繊維は鋸歯状に設定されます。これを修正するために、2番目のプロトタイプの設計段階では、寸法はプリフォームの中心面と胴体表面の間のオフセット値を変更することによって調整されます。第1の試作機は、炭素繊維中の樹脂含浸不充分、炭素繊維束中の残留空間や空隙など、品質上の問題を抱えている。真空袋詰め、含浸、オートクレーブ生産の過程で、次の対策が採用されました:ガラス布の切断プロセスを変更します。樹脂の粘度を下げます。プリフォーム設定の金型側を反転させる。含浸処理を変更します。この結果は、ガラスクロスの含浸効果が優れているが、炭素繊維束の表面および内部にはより多くの空隙があることを示している。 現在、成形品の品質向上にはさらなる研究が必要である。チームは航空機の飛行試験を実施し、その実践性を評価しました。パイロットは操縦性をテストした。ステアリング時の応答はABS樹脂機の応答よりも優れているため、結果は満足です。トポロジー最適化とCFRP材料の組み合わせは、軽量かつ高剛性の高性能な構造部品を提供することが期待されています。本研究では、マルチウィングボディ上でTFPプリフォームを使用して3次元CFRP構造を形成できることを確認した。今後、プリフォーム設計や炭素繊維複合成形法の知識を蓄積することで、航空宇宙分野の様々な製品に広く利用することが期待されます。
