Read this blog post in English
Vsaka sezona tekmovanja Design Build Fly prinaša nova pravila in omejitve, ki vplivajo na konstrukcijsko zasnovo letala. Misije lanskega tekmovanja so med drugim zahtevale prenos zunanjih in enega notranjega rezervoarja za gorivo, zato je zagotavljanje visoke nosilnosti ob čim nižji strukturni masi predstavljajo enega od ključnih inženirskih izzivov sezone 2024/2025.
Ker razvoj naših brezpilotnih letal temelji na numeričnih simulacijah in testiranjih, smo odločili, da na tej stopnji razvoja rezultate numeričnega izračuna preverimo še z eksperimentom. Zato smo izvedli celovit preizkus obremenitve krila in pridobili dragocene podatke za nadaljnje izboljšave letala za tekmovanje Design/Build/Fly 2025 (DBF 2025).
Izzivi tekmovanja Design/Build/Fly 2025
Tekmovanje Design/Build/Fly, ki ga organizira Ameriški inštitut za aeronavtiko in astronavtiko (AIAA), vsako leto prinaša edinstvene izzive, nova pravila, omejitve in zanimive letalske misije. Izzivi so razdeljeni na štiri misije – eno statično in tri letalne, ki so različno točkovane, opravljajo pa se v določenem vrstnem redu. Prva misija zahteva demonstracijo leta in tako doprinese eno točko, medtem ko so rezultati druge, tretje in statične misije normirani z najboljšimi rezultati misij na tekmovanju.
Zahteve lanskega tekmovanja so narekovale zasnovo letala, ki lahko poleg hitrega letenja prenaša tovor v obliki zunanjih in enega notranjega rezervoarja za gorivo, poleg tega pa pod trupom nosi še manjši avtonomni jadralni model X-1, ki ga mora uspešno lansirati in pristati v vnaprej določenem območju. Tovor v obliki rezervoarjev za gorivo je močno vplival na pridobljene točke pri drugi misiji, ki je ocenjevala prenos tovora v čim krajšem možnem času, zato je to postal tudi osrednji fokus lanskega projekta.
Na končni rezultat ekipe poleg točk pri vseh štirih misijah, vpliva tudi ocena tehničnega poročila, ki ga mora ekipa oddati pred tekmovanjem. To vključuje simulacije, podrobno zasnovo letala, tehnične risbe in testiranje. Ker je bil eden od ciljev lanskega tekmovanja velika nosilnost letala, smo izvedli tudi testiranje krila za največjo pričakovano vzletno maso 12 kg in pospešek 10 g v zavojih.
Priprava na preizkus nosilnosti krila
Za preizkus maksimalne nosilnosti krila smo najprej izdelali testno krilo. Krilo je najbolj obremenjeno na sredini, kjer je upogibni moment največji, zato smo želeli ugotoviti, pri kolikšni obremenitvi pride do porušitve krila. Strukturno trdnost krila smo ocenili s tritočkovnim porušitvenim testom. Testno krilo smo namestili na preizkusno stojalo, s členkastim vpetjem smo zagotovili prost upogib krila . Električna naprava za obremenjevanje pa je delovala na sredino krila s konstantnim pomikom.
Preizkusna naprava je imela zgornjo in spodnjo podporo, pri čemer je zgornja podpora imela obliko notranjega rezervoarja za gorivo, ki je predstavljal večino mase letala. Poenostavljeno povedano, celotna sila, ki je delovala na letalo, je bila simulirana z zgornjo podporo. Osnova spodnje podpore je bila kvadratna jeklena cev z ležišči iz jeklenih cevi, ki so služila kot pritrjene opore za testno krilo. Razdalja med dvema stičnima točkama je bila izračunana tako, da se je upogibni moment sile zgornje podpore na sredini krila ujemal s silo, ki je delovala na krilo v zavoju.
Preizkus smo izvedli na napravi za testiranje materialov Zwick/Roell Z100, ki omogoča obremenitve do 100 kN. Naprava za nanašanje obremenitve ima 320 mm hod, lahko deluje s hitrostjo do 600 mm/min in ima natančnost pozicioniranja 20 µm. Spodnja podpora je bila pritrjena na dno naprave, zgornja pa je bila vpeta v prijemalo, kot je prikazano na spodnji sliki.
Struktura krila
Testno krilo ni bilo povsem enako krilu tekmovalnega letala – razpon testnega krila je bil krajši in je le rahlo presegal notranje opore, saj material na skrajnih koncih krila ni znatno obremenjen in zato za preizkus manj relevanten. Odločitev za krajše testno krilo nam je prihranila kar nekaj materiala in časa za izdelavo. Del zadnjega roba krila zaradi omejitev velikosti preizkusne naprave prav tako ni bil vključen.
Testno krilo je imelo podobno notranjo strukturo kot krilo tekmovalnega letala z nekoliko drugačno razporeditvijo reber in brez strukture krmilnih površin. Na spodnji sliki je prikazan računalniški model testnega krila.
Testno krilo je bilo izdelano z mokro laminacijo karbonskih in steklenih vlaken z matriko iz epoksidne smole in Airex pene. Laminat smo nato položili v kalup in vakuumsko zaprli, kjer je epoksi polimeriziral nekaj ur, nato pa smo laminat še dodatno utrdili pri višji temperaturi. Notranjo strukturo, izdelano iz enakih laminatov, smo lasersko izrezali in pritrdili v krilo z epoksi smolo, pomešano z lahkim tiksotropnim sredstvom Aerosil.
Testiranje krila
Sledilo je testiranje krila, pri katerem smo merili deformacijo krila in podpor ter silo v vpetju. Krilo smo obremenjevali s hitrostjo 20 mm/min, moralo pa je prenesti obremenitev vsaj 3000 N. Zaradi različnih dinamičnih vplivov, negotovosti v procesu izdelave in lastnosti materiala smo vključili varnostni faktor 2,5. Spodaj si lahko ogledate video prikaz testiranja maksimalne nosilnosti krila.
Rezultati testiranja
Spodnji graf prikazuje linearno naraščanje sile s povesi do približno 15,55 mm, kjer je bila sila približno 6400 N. Na tej točki je prišlo do majhnega, a nenadnega padca sile, po katerem je sila naraščala počasneje. Podobno se je zgodilo pri povesu 17,75 mm. Med testiranjem ni bilo vidnih poškodb na zunanji strani krila, je pa bilo mogoče slišati lomljenje materiala.
Krilo se je porušilo pri povesu 21,15 mm in sili 7742 N. Po porušitvi, ki jo je spremljal glasen pok, je sila strmo padla in test smo takrat zaključili.
Testno krilo smo po končanem preizkusu prerezali, da smo lahko ocenili še poškodbe. Nekatera rebra na zadnjem robu blizu sredine krila so se porušila zaradi strižne napetosti. Predvidevamo, da so bili glasni poki med testiranjem posledica poškodb reber, kar je zmanjšalo togost krila, to pa je razvidno tudi iz manjšega naklona krivulje na grafu.
Do porušitve krila je prišlo zaradi delaminacije zgornje oplate pri korenu krila, ki jo je prav tako spremljal glasen pok. V tem primeru se je Airex pena strgala zaradi velike strižne napetosti. To je vodilo v močno zmanjšano nosilnost krila, kot je razvidno iz grafa.
Krilo je pred porušitvijo zdržalo več kot dvakratno zahtevano obremenitev, vendar se je izkazalo, da je bilo predimenzionirano in, da bi lahko laminat v glavnem nosilcu stanjšali ter na ta način zmanjšali maso krila.
Numerične simulacije
Test smo numerično simulirali tudi v programu Ansys, in sicer z uporabo modula Ansys Composite PrepPost (ACP) in metode končnih elementov. Analiza je temeljila na klasični teoriji laminatov (CLT). Analizirali smo samo polovico krila zaradi njegove simetričnosti. V sredini smo tako uporabili simetrični robni pogoj, z dodano fiksno oporo na površini, kjer zgornja podpora deluje na krilo. Obremenitev je bila nato izvedena tam, kjer bi spodnja podpora prišla v stik s krilom, vendar je bila sila razpolovljena, saj je bila analizirana le polovica krila. Povesi so bili izmerjeni pri različnih obremenitvah, primerjava rezultatov pa je razvidna iz spodnjega grafa.
Preizkus in izračun sta pokazala različne rezultate za prag porušitve krila, saj CLT obravnava plasti laminata kot neločljive in posledično analiza ni mogla predvideti delaminacije. Kljub temu je simulacija pokazala, da se je material okoli zgornje podpore približeval odpovedi zaradi tlačne napetosti, kar je prikazano kot zeleno območje na spodnji sliki. Rdeče območje na sprednjem robu krila pa prikazuje porušitev oplate zaradi ostrega roba zgornje podpore, ki na že obremenjenem območju napetost še poveča.
Razprava
Numerična simulacija je pokazala kritična območja, kjer bi lahko prišlo do poškodbe strukture krila. Ker je imela uporabljena metoda svoje omejitve, nismo mogli napovedati delaminacije, ki se je zgodila na testu. Porušitev oplate, ki je bila napovedana na sprednjem robu krila posledica nastavljenih robnih pogojev – modelirana podpora je bila toga z ostrimi robovi, medtem ko je bila podpora v preizkusu elastična z zaobljenimi robovi. Razlike v povesih med numerično analizo in preizkusom so bile velike, kar je posledica precenjenih lastnosti materiala iz knjižnice materialov Ansys, togih spojev med modeliranimi komponentami, poenostavljenega modela podpore ter neupoštevanja deformacije podpore med testiranjem.
Izboljšave
Za natančnejše rezultate bi morali testirati še uporabljene materiale, saj so se modeli izkazali za bolj toge od dejanskih materialov. Poleg tega so meritve povesov testnega krila vključevale tudi deformacije podpore, zato bi jih bilo treba izmeriti in odšteti. Z uvedbo teh izboljšav v letošnji sezoni se bodo neskladja med numerično simulacijo in testiranjem bistveno zmanjšala.
Zaključek
Preizkus je dokazal, da krilo lahko prenese zahtevane obremenitve. Še več, izkazalo se je, da je krilo predimenzionirano, kar nam je omogočilo, da smo še dodatno zmanjšali njegovo maso. Preizkus je prav tako dokazal pomen testiranja in meritev, saj numerične analize ne morejo vedno simulirati vseh procesov in lastnosti, vključno z natančnimi lastnostmi in obnašanjem materiala v strukturi.