Zastosowanie oprogramowania Ansys w konstruowaniu bezzałogowych statków powietrznych w Akademickim Klubie Lotniczym Politechniki Wrocławskiej

Od wielu lat Firma Symkom aktywnie wspiera działalność wielu kół naukowych. Jesteśmy partnerem, który nie tylko dostarcza oprogramowania Ansys do symulacji, ale także wspiera merytorycznie młode pokolenia naukowców i inżynierów. Przekazując materiały edukacyjne oraz organizując warsztaty, szkolenia i prelekcje pomagamy zgłębiać tajniki symulacji komputerowych oraz ułatwiamy czerpanie z pełnego potencjału oferowanego przez oprogramowanie Ansys.

W tym artykule skupimy się na opisie zastosowania oprogramowania Ansys w procesie projektowania bezzałogowych statków powietrznych oraz jakie korzyści przynosi symulacja w Akademickim Klubie Lotniczym Politechniki Wrocławskiej.

Kim jesteśmy?

W Akademickim Klubie Lotniczym na co dzień zajmujemy się projektowaniem oraz konstruowaniem bezzałogowych statków powietrznych. Zrzeszamy pasjonatów lotnictwa z całej Politechniki Wrocławskiej i wspólnie od kilkunastu lat bierzemy udział i odnosimy znaczące sukcesy w międzynarodowych zawodach dla młodych konstruktorów, takich jak SAE Aero Design (fotografia 1) oraz Air Cargo Challenge. W ostatnich dwóch latach nasze konstrukcje stawały na podium aż 31 razy. Oprócz budowy samych płatowców rozwijamy również systemy rozpoznawania obrazu za pomocą sieci neuronowych, co zostało niejednokrotnie docenione w kraju, np. na zawodach Droniada, ale również odnosimy sukcesy na arenie międzynarodowej. Nasze tegoroczne sukcesy:

SAE Aero Design West 2023 - Teksas

KLASA ADVANCED

  • null

    1. miejsce w klasyfikacji generalnej

  • null

    1. miejsce za wykonanie misji

  • null

    1. za raport techniczny

KLASA REGULAR

  • null

    1. miejsce za prezentację techniczną

  • null

    2. miejsce w klasyfikacji generalnej

  • null

    1. miejsce za wykonanie misji

KLASA MICRO

  • null

    2. miejsce w klasyfikacji generalnej

  • null

    2. miejsce za wykonanie misji

  • null

    2. miejsce za prezentację techniczną

SAE Aero Design East 2023 - Floryda

KLASA ADVANCED

  • null

    2. miejsce w klasyfikacji generalnej

  • null

    2. miejsce za wykonanie misji

  • null

    2. miejsce za prezentację techniczną

KLASA REGULAR

  • null

    5. miejsce w klasyfikacji generalnej

  • null

    1. miejsce za raport techniczny

KLASA MICRO

  • null

    2. miejsce w klasyfikacji generalnej

  • null

    1. miejsce za wykonanie misji

  • null

    3. miejsce za prezentację techniczną

Droniada 2023 w Katowicach

  • null

    1. miejsce w kategorii ``Demo systemu``

  • null

    1. miejsce w kategorii ``Sztafeta``

  • null

    2. miejsce w kategorii ``Intruz``

  • null

    3. miejsce w kategorii ``Drzewo życia``

Fot. 1: Zdjęcie drużyny z zawodów SAE Aero Design 2023 East

Czego wymaga się od naszych konstrukcji?

Wytyczne obowiązujące na poszczególnych zawodach zmieniają się z roku na rok, co powoduje, że projektujemy coraz to nowsze rozwiązania, które muszą sprostać nowym wymaganiom. Rozpiętość niektórych naszych modeli sięga nawet 5,5 metra, a to dopiero jedno z wyzwań, jakie przed nami stoją. Podczas konstruowania statków powietrznych na międzynarodowe zawody musimy brać pod uwagę nie tylko wymagania techniczne, ale również przeznaczenie danego bezzałogowca. Nie wystarczy zbudowanie obiektu, który będzie unosił się w powietrzu, ponieważ musi on również jak najlepiej realizować założenia danej misji. Często mają one charakter zwiadowczy lub udźwigowy, a nawet stanowią połączenie obu tych zadań.

Wymaga to od naszej konstrukcji szczególnej sztywności oraz wytrzymałości na naprężenia. Przykładem jest nasz projekt bezzałogowego statku powietrznego klasy Advanced, którego zadaniem jest transport 10 litrów wody oraz mniejszego autonomicznego płatowca ważącego 500 gramów i umiejscowionego pod skrzydłem. Dodatkowo samolot ten, ze względu na warunki pogodowe występujące w miejscach zawodów, musi zmagać się z porywistym wiatrem. Aby konstrukcja ta wykonała wszystkie powierzone jej misje niezbędne są obliczenia wytrzymałościowe, które wykonujemy w oprogramowaniu Ansys. Na rysunku 1 przedstawiono przykład modelu bezzałogowego statku, który zaprojektowaliśmy, a rysunek 2 przedstawia konstrukcję wewnętrzną jego skrzydła.

Rys. 1: Model bezzałogowego statku powietrznego klasy Advanced na zawody SAE Aero Design 2023

Rys. 2: Konstrukcja półskorupowa kompozytowego skrzydła klasy Advanced

Jak używamy oprogramowanie do symulacji komputerowej Ansys w naszej pracy?

Przy tak dużych przedsięwzięciach jak międzynarodowe zawody dobrze skonstruowany model to podstawa. Projektowanie statku powietrznego zawsze zaczynamy od obliczeń – najpierw aerodynamicznych skrzydła, a na końcu modelu aerodynamicznego całej konstrukcji. Używamy do tego moduł Ansys Fluent. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe wyniki symulacji rozkładu ciśnień na skrzydle przy różnych kątach natarcia.

Rys. 3: Rozkład ciśnień na skrzydle przy różnych kątach natarcia

Rys. 4: Schemat prac i używanych modułów w środowisku Ansys

Pierwszych obliczeń dokonujemy przy pomocy metody panelowej, która do amatorskich zastosowań sprawdza się doskonale. Po odpowiedniej liczbie iteracji, przechodzimy do analizy samolotu właśnie przy użyciu modułu Fluent. Następnie, po odpowiednio przygotowanej siatce obliczeniowej (rysunek 5) i zadaniu warunków brzegowych, dokonujemy wspomnianej analizy. Pozwala nam ona na wyznaczenie charakterystyk aerodynamicznych statku, tj. współczynnika siły nośnej, czy oporu. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy schemat prowadzonych prac i użytych modułów w środowisku Ansys. W przypadku konstrukcji półskorupowej rozkład ciśnienia z analizy używany jest do dalszych obliczeń wytrzymałościowych poszycia. Krok ten jest bardzo istotny, ponieważ wraz z odkształceniami skrzydła zmieniają się jego charakterystyki aerodynamiczne. Nie może być ono za sztywne, gdyż niepotrzebnie zwiększy to masę konstrukcji, ale również zbyt wiotkie – dojdzie wtedy do jego nadmiernego odkształcenia i zmieni to całkowicie charakterystykę opływu skrzydła. Nasz zespół używa do tego moduł Ansys Composite Preppost.

Rys. 5: Siatka elementów konstrukcyjnych półskorupowej konstrukcji.

Następnie należy przy analizach użyć rzeczywistych materiałów, z których będzie wykonywana konstrukcja. Niezależnie czy tworzymy konstrukcje dźwigarowe z drewna, czy półskorupowe z kompozytów, pewne kroki są w większości identyczne. Budujemy wstępny model geometryczny, a następnie sprawdzamy jego poszczególne komponenty, takie jak: dźwigary, żebra, skorupy, wręgi w module Static Structural pod kątem wytrzymałości mechanicznej, zadając im nominalne obciążenia, na które będą narażone podczas eksploatacji. Na rysunku 6 przedstawiono przykładowe wyniki symulacji naprężeń. Pozwala to dodatkowo na optymalizację geometrii pod kątem wagi oraz upewnienie się, że konstrukcja zachowa swoją sztywność i nie utraci stateczności.