3D打印小型无人机机翼的强度分析

第3章小型无人机机翼3D打印参数选择与装配3.1确定打印机工艺参数本次实验因为采用的是熔融沉积成型（FDM）技术成型来打印此次模型，而这项技术在打印过程中没有办法去控制它所产生的变量，所以在打印试验件的过程中或多或少都会被外界因素的影响，因为熔融沉积成型FDM技术成型在实验前无法去核算模型的机械性能和物理性能，所以采用了控制变量法去控制一些变量。在打印的过程中变量非常多，可以控制有，打印速度、填充密度、打印层高、托盘温度、风扇速率和喷嘴温度等一些变量，在查阅资料和咨询老师之后发现，这些多种的因素中的打印速度、填充密度和打印层高三个因素是对打印机影响问题最大的三个因素，所以就选取了这三个因素去控制变量，来探究这三个因素对打印的影响。（1）分层厚度分层厚度（层高）是指在3D打印过程中每一层的厚度。3D打印使用的技术就是把一层一层的物料堆叠来从而形成的打印件，分层厚度是影响打印质量的一个关键因素。分层厚度越小，打印出来的东西越细腻，分层厚度越大就意味着打印出来的东西它的间隔越大，就有可能会影响到它的拉伸力学属性。同时分层厚度越小就意味着要打印更多的层数，然后就会加大打印时间。相对的，分层厚度越大那么打印的时间也就相对而言的减少了。对于此次使用的这款小型FDM打印机来说，打印的分层厚度通常设置在0.1到0.3mm之间。本次实验的分层厚度是0.2mm，0.25mm，0.3mm。（2）打印速度打印速度是指3D打印机在打印这一款标准件的时候打印速度的快慢，直接影响到整个标准件的耗时多少。加快打印机的打印速度就可以更快的打印标准件，但是速度太快的化会影响到打印件的打印质量，因为打印的太快的话打印机就无法让那个熔融状态的耗材精确的沉淀下去。相对而言，如果降低了打印速度也会增加整个的打印时间的耗时，这也是一件比较麻烦的事情，所以需要充分考虑这个因素。本次实验采取的打印速度是40mm/s，70mm/s，100mm/s。（3）填充密度填充密度指的是3D打印物体内部被填充的物质的多少，也可以说是这个物体的坚硬程度，一般用百分比来表示，百分比越高物体越坚硬，百分比越低物体越脆弱。填充的密度决定了模型内部的坚硬程度密度越高模型越坚硬，力学性能相对来说更加好，会影响到模型的重量，填充密度越高模型越重。相应的，填充密度越高打印所需要的耗材就会越多，耗费的时间也会越多。如果将填充密度设置为0%的话，打印出来的模型就只有一个空壳子，如果是100％的填充密度就会得到一个实心的模型。本次实验的填充密度是40%，70%，100%。表3-SEQ表3-\*ARABIC1选择的实验参数试验因素/单位试验变量分层厚度/mm0.2/0.25/0.3打印速度/mm/s40/70/100填充密度/%40/70/1003.2选择3D打印过程的参数分析之后得到在喷嘴温度，风扇速率，托盘温度等变量没有改变并且材料处于最佳性能的时候，改变分层厚度的大小，其力学性能越差，当分层厚度增大时，内部会出现粘连性不牢固，从而降低了打印件的强度，所以选择分层厚度为0.2mm；当打印速度快时，喷嘴挤出的材料还没有完全冷却，还有足够的粘连性。用喷嘴加热材料，把材料挤出后会冷却，打印的速度越慢，冷却的越快，会导致纤维填充的不够充分而影响打印的质量，挤出的越快，打印质量越好，当打印速度为100mm/s的时候力学性能最优；随着填充密度的逐渐增加，标准件的抗拉性能逐渐增加并因此选择填充密度为100%。所以选择分层厚度0.2mm。故因此选择参数为：填充密度100%、打印速度100mm/s、打印层厚0.2mm。如表4-1所示。表4-SEQ表4-\*ARABIC1无人机框架打印参数填充密度打印速度分层厚度100%100mm/s0.2mm3.3小型无人机机翼的建模建立一个可以3D打印的固定翼小型无人机机翼模型，用来做出机翼的力学性能仿真的实验参数。建模使用了UGNX12.03D建模软件来建立固定翼小型无人机机翼的飞机模型，对飞机本体，左右机翼和垂尾分别进行建模和打印，在机身下方的机翼上进行开槽和机身尾部的水平尾翼上开槽，用来安装机翼和垂尾。如图4-1，4-2，4-3所示为飞机机身，左机翼，右机翼和垂尾的3D建模图4-1飞机机身如图4-1所示在建立出飞机的主要机身后在飞机的头部和尾部分别开槽用来装配飞机的机翼和飞机尾部的尾翼。飞机机身和水平尾翼连接在一起进行建模，可以在最大程度上减少在组装时候出现的误差对机身结构强度所造成的影响。图4-2飞机左机翼图4-3飞机右机翼如图4-2和4-3所示，飞机的左右机翼上分别建模出安装槽，方便安装在飞机机身上。建模出左侧机翼之后可以使用镜像功能命令从而建模出右侧机翼，可以确保左右机翼完全相同。可以减少建模误差从而影响插件处的精度而影响整个飞机的装配。图4-4飞机垂尾如图4-4所示，建模的时飞机垂尾，它可以直接装配在机身后方的卡槽内。在3D模型建立完成后，进行装配模型，并进行测试，这一步是用来检测建模出来的飞机模型插件尺寸和插件槽是否匹配，如果有问题可以第一时间进行改正和优化，飞机装配完成后的装配图，如图4-5所示。图4-5飞机装配图3.4小型无人机机翼模型的3D打印和装配把完成的模型从NX12.0中导出并保存成STP格式，方便3D打印机辨认。小型无人机机翼模型采用的材料是PLA，它具备良好的强度与刚性，能契合小型无人机机翼在飞行中的结构要求，不易产生变形，而且自身重量较轻，有利于优化无人机性能，把STP文件引入切片软件，把层厚设定成0.15mm，保证打印精度跟效率的平衡；把打印速度定为50mm/s，防止速度过高对成型质量造成不利影响；填充密度采用30%，既保障机翼强度又让重量变轻；保证复杂结构打印成功实现。把PLA材料装填到3D打印机里，便可以开始开展打印操作了，打印期间要一直看着设备，一刻都不敢马虎，最惧怕遇到堵头、断丝、翘边这些麻烦问题——堵头意味着材料卡在喷头里出不去，断丝即耗材打着打着一下子断开，即打印件边角往上翘，跟打印平台分开。只要察觉不对劲，我就得迅速按下暂停键，依次排查问题，倘若喷头堵头了，多半是温度不太合适，就得试着把喷头温度调低或者调高；断丝或许是耗材质量欠佳，说不定是进料口卡住了，得拆开瞅瞅；翘边一般情况下是打印平台不够平整引起的，或者温度没把控恰当，得重新对平台做校准，调整温度所设的参数，只有把问题处理好，才可以接着开展打印，不然整个模型就彻底废啦。模型打印完成后，小心去除机翼模型上的支撑结构。去除支撑结构以后用砂纸对模型表面进行打磨，从粗砂纸（80目）开始，然后慢慢过渡到细砂纸（1000目），去除表面瑕疵和台阶纹。最后用抛光膏和抛光布进行最后一步抛光，可以提升飞机模型的表面光洁度，从而来降低飞行时的空气阻力。然后将打印的所有零部件进行装配，在装配之前首先应该检查各个零部件是否完好，确认完好以后，首先将飞机机身和左右机翼进行组装，在机身组装完成之后再将垂直尾翼放进来进行装配，然后就完成了整个固定翼滑翔机的组装。如图4-10和图4-11所示，为滑翔机各部分模型以及滑翔机装配起来的模型。3.5本章小结这个章节主要探究了三个变量分别是分层厚度、填充密度、打印速度这三个量对于打印模型的力学性能因素的影响，设计了三组实验，分别去对三个变量进行测试。然后得出了当填充密度为100%，它的打印速度为100mm/s，分层厚度为0.2mm的时候模型的各项力学性能指标是最优秀的。在对于分层厚度的实验探究过程中发现了，当增加分层厚度的大小时，模型的力学性能越差，这是因为当模型的每一层它的厚度过大的时候，模型整体的粘连就会变得非常脆弱，互相之间的连接就会不牢固容易出现断裂，而且还会增加打印的时间。在对于打印速度的探究的时候，发现了当打印速度越来越快的时候，它的力学性能越好，这是因为用喷嘴加热材料的时候，喷嘴把材料挤出后材料会快速冷却，所以挤出的越慢，打印的质量越差，挤出的越快，打印质量越好，当打印速度为100mm/s的时候力学性能是最好的。在对于填充密度的探究过程中，这个探究的过程和原理是最简单的，原理就是密度越大的东西力学性能越好，而且质量越大，抗拉能力也越好。打印材料的填充密度越大，内部的材料越多，力学性能相对来说提升的越快，当填充密度到达100%的时候，力学性能是最好的。

3D打印模型的力学性能仿真4.1模型的力学性能仿真飞机的3D模型建好后，重要的部分就来了——给机翼做力学性能仿真。第一步得打开AnsysWorkbench软件，这是仿真的“主战场”，没它我们的力学性能仿真就进行不下去了。进了软件界面，我先在工具箱里找到文件选项，这个入口找不准，模型就导不进去。点击之后，把之前建好的飞机3D模型上传。这个模型里记录着飞机的每一处细节，尺寸、形状都得精准，它就是咱们仿真分析的“主角”。模型导进去，马上切换到DesignModel模式。在这个模式下，再把模型加载出来。加载的时候得盯着，确保模型完整显示，每一条边、每一个面都不能丢，参数也得准确无误。只有这样，后续给模型设置材料属性、划分网格、做力学分析这些步骤，才能顺顺利利推进下去。如图4-1所示图4-2加载模型图4-3飞机模型之后点击工具数据这个命令，去定义模型所需要的材料属性，把飞机模型的杨氏模量调整为4780MPa，杨氏模量数值体现出材料抵御弹性变形的本事，保障模型在受力情况下维持稳定结构，泊松比为0.35这一数值，说明材料横向和纵向变形之间的关联程度怎样。把密度调整为1.3g每立方米，密度较轻有利于降低模型的重量，增进飞行特性，把屈服强度设置为61MPa，意味着材料在承受特定大小外力时才会出现不可逆转的塑性形变，保证模型在正常使用状况下的安全与可靠，各项参数彼此配合搭建出性能优异的飞机模型。如图4-4所示图4-4定义模型属性接下来完成模型材料属性相关设置后，进入设置模型部件的阶段，点按“部件命令”，把飞机的各个部件逐个地指定为之前定义好的PLA材料，使各部件拥有PLA材料的特性，为模型性能的发挥打下基础，实施网格划分工作，首次去点击“网格”，主要调整面尺寸大小，把它精准设定成0.05，该尺寸的设定对后续网格质量有重大影响。完成此次调整后，又一次点击“网格”区域，系统依据设置的各项参数生成网格，到这里关键建模步骤完成了，为往后的分析工作做铺垫。如图4-5、4-6、4-7所示图4-5定义部件材料属性图4-6定义模型网格图4-7面尺寸调整网格生成工作完成后，随即进入飞机模型力学模拟的筹备阶段，首要的事儿是为飞机设置固定支撑，在飞机底部仔细筛选合适的点，精准添加固定约束，让飞机在模拟环境里获得稳定的支撑底座，以模拟实际情境下的支撑状态，完成固定支撑的设定事项后，紧接着给飞机机翼施加力，按照模拟的实际需求，精准设置力的大小为-21Mpa，该力施加的用途是模拟机翼飞行时可能承受的载荷，以便后续对机翼结构在该受力情形下的性能表现进行分析。如图4-8、4-9所示图4-8固定支撑图4-9模型施加力在完成支撑条件及载荷施加的设定后，即刻进入飞机机翼力学性能分析的核心环节——求解运算，此阶段把等效应力与最大应力作为核心分析指标：等效应力借助综合复杂应力状态，精准反映机翼内部应力的分布特征；最大应力直接定义了结构所承受的极限载荷数值，借助对这两项关键力学参数开展计算分析，可全面把握机翼受力的大小、方向及分布格局，进而为机翼结构的安全性评估以及优化设计提供关键数据支撑。如图4-10、4-11所示 图4-10等效应力图4-11最大主应力4.2本章小结处于航空领域内，弄清楚飞机结构的力学性能尤为关键，这直接关联到飞机飞行安不安全、性能佳不佳，就用客机来举例，机翼每天得面对上万次应力的变动，要是强度达不到要求或者受力分布不合理，很容易埋下安全方面的隐患，该部分内容主要凭借AnsysWorkbench软件对飞机模型做力学性能仿真分析，就是想凭借模拟，掌握飞机在各类复杂受力情形下的表现，为后续设计优化提供切实有效的数据参考。首先把预先建成的3D飞机模型导入AnsysWorkbench里面去，这个模型可不是胡乱画几笔就可以的，设计团队消耗大量时间反复校准，从机翼的翼型弧度到机身曲面的衔接样式，各个细节皆严格满足航空设计标准，毕竟模型准确与否直接左右后面仿真的结果，一点细微的差错，或许就会引发大失误。模型导入该环境后，紧跟着就要设置好材料属性，本次选的是PLA材料，此材料在航空模型制作里面应用得挺多，它的性能特征能相对真实地模拟实际飞机结构的受力反应情况，而且PLA所花费的成本相对较低，挺适合前期进行大量模拟测试。处于设置PLA材料属性的时候，应着重聚焦几个关键参数，杨氏模量展现材料抗变形的本事，数值大小决定了模型受力时弹性形变的大小；泊松比反映出材料在拉伸或者压缩时横向、纵向变形的比例关系，对分析复杂受力情况下的变形情形助益很大；密度参数跟飞机重量搭上关系，直接关乎飞行性能和油耗；屈服强度为材料开始呈现塑性变形的临界点，是判定材料强度的重要标志，将这些参数恰当设置，模型才会更逼真地还原PLA材料的力学特性，好比在开展杨氏模量设置时，我们借鉴了大量的文献和实际测试所获数据，多次调整数值大小，唯恐出现差错。材料属性设置妥当，马上进入仿真操作阶段，首先给模型赋予对应的材料属性，赋予模型“真实材料”的物理特性，接着去开展网格划分，更改网格的大小、形状以及疏密程度，得到质量好的网格，网格划分得精微，计算得出的结果更精准，才能把模型内部的应力、应变分布分析得更清晰。这一步恰似给模型“搭建基础”，地基打得牢靠，后面的分析才会稳靠，网格弄妥之后，给模型加上稳固支撑，模拟飞机实际飞行时的支撑模样，保障受力分析时模型不会出现位置的移动，往飞机机翼上施加各种模拟载荷，还原飞行时候的受力情形，诸如升力、重力、气流冲击力这类情况都得考虑到。待所有准备工作做完，采用AnsysWorkbench的求解器计算几个关键数据：总应力相关值、等效应力相关值和最大应力相关值，总应力能掌握模型整体的受力状态；等效应力以能量角度综合评价材料在复杂应力下的受力大小；最大应力可找出模型承受的最大压力具体数值。把这些数据进行梳理分析，就能明白知晓机翼在不同受力情形当中的性能表现，哪里强度充足、哪里或许有隐患清晰明了，为衡量机翼结构的安全性与优化设计提供关键佐证，经过对等效应力分布的分析，我们察觉到机翼根部的应力集中相当明显，这为后续实施结构加强指明了方向。依靠这一系列步骤，飞机机翼的力学仿真就此完成，整个流程都严格按照规范去操作，得出的力学性能数据既完备又翔实，可直接对飞机设计优化和安全性评估起到指导作用，对航空技术发展以及实际工程应用均有一定意义，后续我们还会结合风洞的试验，进一步去验证仿真所得结果，使数据更具证明力，真正为航空设计生产添砖加瓦。

第5章结论5.1结论本次研究专门针对FDM（熔融沉积建模）技术打印而成的模型进行研究，采用的是PLA（聚乳酸）材料，聚焦于填充密度、打印速度、打印温度这三个关键参数展开，考察它们究竟是怎样影响模型的结实水平，我们先在建模软件中把模型给画好了，为使数据达到精准要求，每个尺寸都多次核对了三遍，然后备好PLA耗材，像调试打印机喷头温度、对平台平整度做校准的准备工作，每一项都容不得半点马虎，仅仅对打印喷头的通畅度做检查，用去了大半天的时长，生怕设备有小故障进而影响实验结果。实验结果发觉，填充密度对模型强度影响极其明显，填充密度愈高，模型就越紧凑，我们从填充密度10%的低水平开始，一点点升高填充比例做测试，每调整一回参数，都要打印三个规格相同的试件算平均数值，发现模型可承受的拉力明显跟着变大，当把填充密度加到100%之际，模型抗拉强度达到了比较理想的水平，这显示想让模型扛造，填充密度得充分给到，然而也发觉，密度太高会引起材料的浪费，实际应用得按照需求去权衡。打印速度总归也是个“双刃剑”，打印层之间的黏合效果不佳，材料未铺均匀就开始凝固，模型强度会明显变差，我们反复试验了多种不同速度，从每秒50毫米到每秒150毫米，以每个速度分别打印了20个试件。最后知晓100mm/s这个速度最体现“均衡”特质：不会让模型呈现太脆弱的样子，打印效率也能顺利跟上，基本上做到了兼顾质量与产能，过程里还发觉，速度变化对模型表面粗糙度同样存在影响，这可都是额外的收获，打印温度更要把“火候”讲究到位。高温确实能让打印的速度快上一点，但PLA材料一旦受热就易变形，反而对性能产生影响，我们反复调节温度开展实验，尝试了十几次才找到合适的平衡点，200°C最佳，以这个温度进行打印的模型，强度跟成型效果都达标线，不同批次的PLA耗材对温度敏感程度不一样，后续实验专门对材料的批次号做了标记。归总所有实验数据，我们归纳得出一组“黄金参数”：达到100%的填充密度、100mm/s的打印速率、200°C的打印温度，依靠这组参数打印出来的PLA模型