小型無人飛機機翼結構 材料選擇與工程分析 南台科技大學 工程力學實驗室 指導教授 : 劉乃上 副教授 研究生 : 閻星翰

大綱 前言 小型無人飛機設計 材料與實驗方法 模擬分析 結果與討論 結論與未來事項

前言 無人飛機 目的 由遙控或自動駕駛技術控制，可進行監測、偵查、作戰 等任務。 機體空間運用彈性大、成本低、無須考慮人員意外風險 等特性。 探討使用不同材料製作方式製作小型無人飛機機翼結構 時其機械性質的特性。 相關探討將有助於開發出低成本、可靠度佳、輕量化之 小型無人飛機。

小型無人飛機設計 機型選擇 高翼機 主翼在機身上方 重心位置低於主翼 具飛行穩定性、浮力好 靈活度不佳 高翼機設計概念圖

小型無人飛機設計 翼形選擇 常用高翼機翼形 CL 翼形 NACA2410、NACA2412、CLARK Y (α=0°) NACA2410 0.259 NACA2412 0.263 CLARK Y 0.40225 NACA2410 NACA2412 CLARK Y α F 網路上翼形資料庫[1]之昇力數據

小型無人飛機設計 機翼結構常用之材質 材質對機翼結構之影響 保麗龍、EPP、巴沙木、碳纖維、FRP(玻璃纖維) 重量 剛性 強度 成型方法(加工性) 價格 剛性-材料抵抗變形的能力,若飛機在飛行過程中剛性過小，導致機翼變形，會造成攻角的改變，使飛機的飛行不穩定容易失控 強度-外力作用下，材料抵抗永久變形和破壞的能力，若強度不夠可能在飛行過程中受到強風的侵襲導致機翼斷裂墜毀

材料與實驗方法 樣品製備準備 測試方法 試片 機翼 巴沙木(縱向、橫向木紋) 保麗龍 EPP 巴沙木機翼 保麗龍機翼 EPP機翼 壓縮試驗 三點彎曲試驗 重量比較 巴沙木(橫向) 巴沙木(縱向) 保麗龍 EPP 保麗龍、EPP、巴沙木機翼

材料與實驗方法 壓縮試驗 巴沙木(橫向、縱向) 保麗龍 EPP 位移速率:0.1mm/sec 最大力量:4000N 位移:20mm 巴沙木(橫向) 巴沙木(縱向) 強度是在「外力作用下，材料抵抗永久變形和破壞的能力」 保麗龍 EPP

材料與實驗方法 三點彎曲試驗 巴沙木(橫向、縱向) 保麗龍 EPP 位移速率:0.1mm/sec 位移:30mm 巴沙木(橫向) 巴沙木(縱向) 保麗龍 EPP

材料與實驗方法 重量比較 量測材料之重量 量測機翼之重量 樣品尺寸 - CLARK Y 弦長180 mm 樣品尺寸 - 20x20x40 mm 材料： 巴沙木(橫向)、巴沙木(縱向) 保麗龍、EPP 量測機翼之重量 樣品尺寸 - CLARK Y 弦長180 mm 巴沙木、保麗龍、EPP 量測材料之重量 量測機翼之重量

模擬分析 翼形昇力分析驗證 CFD有限元素分析 邊界條件 分析翼形 CLARK Y NACA2410 NACA2412 無黏滯流 攻角α= 0∘ (a)網格分佈放大 (b)整體網格分佈 翼形昇力分析C型網格

結果與討論 壓縮試驗 應力-應變圖 巴沙木(縱向) 巴沙木(橫向) 保麗龍 EPP

結果與討論 壓縮試驗 不同材質平均應力-應變圖 樣品 楊氏模數 (MPa) 巴沙木(橫向) 80 巴沙木(縱向) 457 保麗龍 1.69 EPP 1.40

結果與討論 三點彎曲試驗 力量-位移圖 巴沙木(縱向) 巴沙木(橫向) 保麗龍 EPP

結果與討論 三點彎曲試驗 樣品 抗彎強度σmax (MPa) 最大剪應力τmax 最大韌性δmax (mm) 巴沙木(橫向) 12.4 1.08 4.54 巴沙木(縱向) 1.85 0.16 4.47 保麗龍 0.12 0.01 13.77 EPP 0.14 0.012 30

結果與討論 重量比較 樣品 重量(g) 巴沙木(橫向) 1.85 ~ 3 巴沙木(縱向) 保麗龍 0.15 EPP 0.35 樣品 1.85 ~ 3 巴沙木(縱向) 保麗龍 0.15 EPP 0.35 樣品 重量(g) 巴沙木 62.5 保麗龍 18 EPP 40.5 量測材料之重量 量測機翼之重量

結果與討論 模擬分析 翼型昇力分析驗證 翼型昇力比較表 CLARK Y 0.40225 0.432943 7.63% NACA2410 Name Reference CL Analysis Difference CLARK Y 0.40225 0.432943 7.63% NACA2410 0.259 0.250757 -3.18% NACA2412 0.263 0.255008 -3.04% 翼型昇力比較表 17

結論與未來事項 結論 由實驗結果可以看出，剛性的部份巴沙木比保麗龍、 EPP大約47倍以上，而強度超過15倍。韌性的部份EPP 較保麗龍大2倍，保麗龍比巴沙木大3倍。保麗龍則是 三者中重量最輕，比EPP輕2倍，三者各具特色。 製作部分以巴沙木製作機翼較環保但耗時長，約一個 工作天，而保麗龍、EPP機翼製作只需要約半小時。

結論與未來事項 結論 為提升小型無人飛機機翼結構剛性、強度，選用巴沙 木作機翼結構材料較合適，但保麗龍和EPP之剛性與 強度的改良可以包覆複合材料(FRP)之方式來解決， 且使用保麗龍或EPP可提升小型無人飛機輕量化。

結論與未來事項 未來事項 材料試驗中加入FRP披覆於保麗龍、EPP，比較其剛性、 強度、重量等複合材料特性。加入機翼結構彎曲試驗， 探討各材質機翼之強度、重量等特性。 利用有限元素分析探討不同材質機翼之模態及材料特 性參數，針對不同材質機翼進行小型無人飛機流固耦 合(FSI)分析。 製作所設計之小型無人飛機，透過實際飛行比較不同 材質機翼之飛行情況。

參考文獻 [1] Airfoil Investigation Database, http://www.worldofkrauss.com/. [2] 徐明濠，無人飛行載具製作及性能測試，中華科技大學， 民國99年。 [3] 陳永增，鄧惠源，機械材料實驗，高立圖書有限公司，民國90 年。

謝謝各位聆聽