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比较鸡蛋壳与钢筋混凝土的结构特性

【摘要】:无人机结构设计是融入自然的技术。金属结构无人机不可能全部使用复合材料制造,复合材料在大部件的连接和局部强度方面仍有缺陷。而且这种结构维修方便,维修成本低廉,在扩展性和可定制性方面也有突出的优点,是无人机公司入门产品的首选结构形式。但是,塑料本身会逐渐老化变脆,飞行器发生损伤后无法修复,这些问题使塑料外壳无人机只能用于娱乐、训练和轻度使用的场合。

无人机结构设计是融入自然的技术。你所拥有的一切天生就在那里,却要让它们相互交织辅助,让各种材料不同的属性变成你要的刚柔并济的产品,让鸡蛋壳变成钢筋混凝土

木质结构

木材料,因为具有易于加工、容易粘接、纹理有序、疲劳性能优异等特征,成为最早用于制造飞行器的材料之一。虽然在今天,复合材料逐渐普及,但是木材一直没有离开无人机行业。我们制作验证机或缩比模型常用芭莎木、松木、桐木和航空层板,制造螺旋桨常用榉木,制作模具离不开硬杂木等。很多小型和微型固定翼无人机依然使用木制材料进行隔框、龙骨的制造。

金属结构

无人机不可能全部使用复合材料制造,复合材料在大部件的连接和局部强度方面仍有缺陷。所以在飞行器上,承受大冲击,受力连接,大面积框架结构等部位,依然使用金属材料。其中航空铝材占到大多数,常见的牌号有6061、7075等。牌号越大强度越高,也就越容易断裂。在起落架、螺钉、仪器探头等部位则大量使用不锈钢材料制造,常见的型号有304、316、1Cr18Ni9Ti、30CrMnSi等。

复合材料

复合材料是今天的明星,尤其是碳纤维材料,重量类似塑料但是强度接近于钢材,使用碳纤维搭建的复合材料飞行器结构才是未来的方向。碳纤维材料主要有两种用法:型材和模具成型。

碳纤维管材和板材组成的多旋翼无人机

使用加工好的碳纤维板和碳纤维管,通过铝合金零件组合,可以生产成本低廉的多旋翼无人机。这种工艺简单,强度可控,只要设计合理,完全能够长时间使用,可以满足基本的无人机需求。而且这种结构维修方便,维修成本低廉,在扩展性和可定制性方面也有突出的优点,是无人机公司入门产品的首选结构形式。碳纤维板材的制造已经规模化,使用平板热压成型,重量、强度和品质都有所保证。碳纤维管材则大多采用缠绕工艺,在很长的圆截面模具上使用缠绕机直接生产圆管或异形管材。

碳纤维一体成形的多旋翼无人机

碳纤维毕竟是复合材料,使用模具进行热压成型才是根本用法。现在的常见工艺是使用已经灌注了树脂的碳纤维预浸料,一层一层均匀铺层在金属模具表面,使用阴阳模具对压,再放入成形炉中加热固化。可以生产形状复杂,表面光顺,重量很轻的碳纤维零件,再与框梁等零件进行粘接形成无人机基本结构。这种结构在重量和强度比方面是无可匹敌的,缺陷就是成本较高,质量稳定性的控制需要一定技术。

工程塑料

塑料外壳的多旋翼无人机

工程塑料因为便于大规模生产,成形精确,成本低廉,成为娱乐级无人机的首选材料。由于塑料模具可以设计得非常复杂,因此使用塑料作为无人机外壳可以在一个零件上完成气动外形、结构强度、设备固定等设计,这样可以最大限度减少零件数量,提高产品可靠程度。而塑料中的尼龙材料,因为具有优良的机械性能,可以用于制造承力零件和弹性零件。这样设计的产品只需要辅助很少的固定螺钉,就能完成机载设备的固定与连接,成为品质稳定的无人机产品。但是,塑料本身会逐渐老化变脆,飞行器发生损伤后无法修复,这些问题使塑料外壳无人机只能用于娱乐、训练和轻度使用的场合。