TNU Journal of Science and Technology
230(02): 80 - 87
http://jst.tnu.edu.vn 80 Email: jst@tnu.edu.vn
RESEARCH ON OPTIMAL CALCULATION
OF QUADCOPTER FRAME STRUCTURE
Nguyen Hoang Quan, Luong Thi Na, Do Huy Diep*
University of Engineering and Technology - Vietnam National University, Hanoi
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Received:
12/11/2024
The structural frame of an unmanned aerial vehicle is a critical determinant
of flight performance and payload capacity. With the expanding
applications of unmanned aerial vehicles in various fields such as
agriculture, disaster relief, transportation, and military operations, there is
an increasing demand for lightweight, durable, and aerodynamically
optimized frame designs. This paper presents a structural analysis and
optimization approach for a quadcopter frame, a type of unmanned aerial
vehicles designed to carry a 2 kg payload. Based on the static structural
analysis results, an optimal computational method for the quadcopter
frame is proposed. The optimized model exhibits a 2.76% reduction in
weight compared to the original design, a 66% reduction in storage
volume when folded, and an evenly distributed load capacity without
localized stress concentrations. The results underscore the importance of
structural analysis and optimization in unmanned aerial vehicle design,
particularly in achieving a balance between weight reduction and load
capacity. Based on these research results, a small-scale unmanned aerial
vehicle prototype will be developed in the near future for training and
technology transfer at the University of Engineering and Technology,
Vietnam National University, Hanoi.
Revised:
17/02/2025
Published:
17/02/2025
KEYWORDS
UAV
Quadcopter frame
Design structure
Optimize structure
Ansys
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CU KHUNG CHO THIT B BAY
KHÔNG NGƯỜI LÁI QUADCOPTER
Nguyễn Hoàng Quân, Lương Thị Na, Đỗ Huy Điệp*
Trường Đại học Công ngh - ĐH Quốc gia, Hà Nội
TÓM TẮT
Ngày nhận bài:
12/11/2024
Kết cu khung ca máy bay không người lái yếu t quan trng quyết định
hiu sut bay, kh năng chịu ti ca thiết b. Vi s m rng ng dng ca
máy bay không ngưi lái trong nhiềunh vực nhưng nghip, cu h, vn
ti quân sự, nhu cu v các thiết kế khung nh, bền và tối ưu hóa v khí
động học ngày càng tăng. Bài báo này trình bày phương pp tính toán kết
cu tối ưu hóa khung Quadcopter, một dng máy bay không người lái, để
ch vt nng 2 kg. Với bài toán tối ưu hóa kết cấu này, từ kết qu ca h
phân ch kết cấu tĩnh, quy trìnhnh toán tối ưu cho khung Quadcopter đưc
đề xut. Mu đề xuất khung nhẹ n 2,76% so với mẫu ban đầu, th tích
chứa đồ sau khi gp gim 66% so vi ban đầu, kh năng chu lc được phân
b đều, không xut hin ng sut cc b. Kết qu nghiên cu nhn mnh tm
quan trng của phân tích tối ưu hóa kết cấu trong quá trình phát trin y
bay không người lái, đặc bit trong việc n bng gia gim trọng lượng
và khả ng chu ti. Da trên kết qu nghiên cứu này, mẫu y bay không
ngưi i cỡ nh s đưc chế to phc v đào tạo và chuyển giao công nghệ
ti Trưng Đại học Công nghệ, Đi hc Quc gia Ni trong thi gian ti.
Ngày hoàn thiện:
17/02/2025
Ngày đăng:
17/02/2025
DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.11541
* Corresponding author. Email: diepdh@vnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 80 - 87
http://jst.tnu.edu.vn 81 Email: jst@tnu.edu.vn
1. M đầu
S tăng trưởng bùng n của thương mại điện t trong những năm gần đây cũng kéo theo sự
phát triển của các dịch v logistics [1]. Các hình thức giao hàng truyền thống thường được thc
hin bng xe ti nhỏ, xe máy, v.v. đang chịu áp lực bởi chi phí nhiên liệu và thời gian giao hàng.
Loại hình vn chuyển hàng hóa sử dng máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle -
UAV) đang được phát triển nhiều nước như Mỹ, Singapore, Ireland [2] [4]. UAV có nhiều li
thế trong vic s dụng không gian độ cao mà không bị hn chế bi cơ sở h tầng đưng b hay
ùn tắc giao thông. nước ta, UAV ch ph biến trong lĩnh vực quân sự, giải trí nông nghiệp.
Chưa nơi nào chế to vi mục đích vận chuyển hàng hóa. Thực tế này đã nảy sinh ý tưởng tiến
hành nghiên cứu, hc hi, phát triển và sn xut UAV vn ti Vit Nam.
Để thiết kế, chế to UAV thc hin mt mục tiêu c thể, các yếu t k thuật, yêu cầu an toàn
bay cần được thc hin qua nhiều công đoạn, nhiều bài toán như: phân tích kết cấu, khí động biên
dạng cánh, các h thống điện - điện t, v.v. [5]. Các phân tích đánh gtrưc hết được thc hin
bng việc mô phỏng trên các phần mềm chuyên dng nhm thu thập các kết qu để đánh giá phản
hi ca mu thiết kế đối vi những điều kiện đã cho nhằm gim thiu những chi phí mẫu vật
thi gian th nghim.
Bài toán tối ưu kết cu để tìm ra dạng nh học, vt liệu khung một phần trong quá trình
thiết kế, chế tạo UAV. Đối với các thiết b bay, kết cu quan trng nhất khung. Tùy thuộc vào
nhim v của mình, UAV được trang b thiết b khác nhau dẫn đến s điu chỉnh hình dạng h
thống khung đỡ cần phù hợp vi trng ti [6], [7]. T ý tưởng đó, nghiên cứu thiết kế tối ưu
khung cho Quadcopter, mt loi kết cu UAV, ch vt phm nặng 2kg được thc hin trong bài
báo này, qua đó quy trình thiết kế, tính toán tối ưu kết cấu được xây dựng và áp dụng vào thực tế.
Trong bài báo này, hình Quadcopter đưc thiết kế bng phn mm thiết kế CAD -
Solidworks, và được phân tích bền, phỏng động lc hc dựa trên phương pháp phần t hu
hn bng phn mm CAE ANSYS Static Structural [8], [9]. Quy trình thiết kế tối ưu kết cu
được đề xuất để chn được mẫu Quadcopter phù hợp nht.
2. Cơ sở lý thuyết
V thiết kế khung, mẫu khung Quadcopter ban đầu được lên ý tưởng và thiết kế trong môi
trưng CAD bng phn mềm Solidworks. hình được đưa vào phân tích kết cu bng phn
mm CAE - Static Structural (ANSYS) để phân tích các bài toán vật học. Trong phn mm
ANSYS, ta thc hiện các bước gán vật liu cho từng thành phần ca khung, tiến hành chia lưới
toàn khung đỡ, đặt các điều kiện biên để phn mềm có thể thc hiện chương trình giải ra kết qu.
Với bài toán kết cu, kết qu phn mm đưa ra cho biết giá trị chuyn vị, trường ng sut; t đó
tính toán kiểm tra độ bn, biến dng, tối ưu hóa kết cu.
2.1. Các phương trình cơ bản và phương pháp giải
Đối với bài toán tính toán kết cu, việc áp dụng phương pháp phn t hu hn nhm mục tiêu
tìm chuyn v, ng suất biến dng ca vt th da trên phương pháp tính toán số. Dưới tác
dng ca lực, các thành phần chuyn v theo các phương x, y, z lần lượt u, v, w được biu th
bng vector chuyn v: [ ]
Các thành phần tensor biến dạng được ký hiệu: [ ]
Trong đó mi quan h gia biến dạng và chuyển v được biu th bằng các phương trình sau:
(1)
Các thành phần tensor ng sut: [ ]
Theo [8], mối liên hệ gia ng sut - biến dng suy ra t định lut Hooke tổng quát:
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 80 - 87
http://jst.tnu.edu.vn 82 Email: jst@tnu.edu.vn
Với D ma trận 6×6 được gọi ma trận đặc trưng của vt liu do chỉ ph thuộc vào
tính chất ca vt liệu như modul đàn hồi E và hệ s Poisson ca vt liu.
[
]
(2)
Hình 1. Sơ đồ khi của chương trình
PTHH [8]
Hình 2. Sơ đồ quy trình tối ưu
Gii thuật tính toán bằng phương pháp phn t hu hn (PTHH), được miêu tả trên Hình 1, là
đi tìm ma trận chuyn v ri t đó áp dụng các đnh luật và nguyên lý trên để tính ra ứng suất và
biến dng ti từng điểm ca kết cu.
2.2. Phương pháp tối ưu cho kết cu
Tối ưu kết cấu việc tìm ra hình dạng hình học hợp của kết cấu trên cơ sở bảo đảm các
điều kin v độ bền cũng như điều kiện làm việc đã đặt ra vi trọng lượng hoặc chi phí vật liu
thp nhất. Ngoài ra, tối ưu hóa kết cấu còn bao gồm thao tác thêm bớt cu kiện để tạo ra các tính
năng tốt hoặc tăng tính thẩm m cho kết cấu. Bài toán tối ưu được đặt ra như sau [4]:
Cc tiểu hóa (hoặc cực đại hóa) hàm mục tiêu: (3)
Với điều kiện ràng buộc: { } (4)
Trong bài báo này, để tối ưu khung Quadcopter, đại lượng la chọn để ti ưu trọng lượng
của khung. Ngoài ra, trong quá trình tham khảo các mẫu Quadcopter đang có trên th trường, bài
báo đề xuất phương án điều chnh cu kiện để cho Quadcopter thêm tính năng gấp gọn giúp
gim th tích chứa đựng sau khi s dụng vẫn đảm bảo yêu cầu ch vt phm nặng 2kg. Hàm
ràng buộc đây là hệ s an toàn của vt liu. H s an toàn (SF) tỉ s giữa độ bền kéo tới hn
(yield ultimate strength) ca vt liu vi ng sut làm việc (working stress). Nếu h s SF nh
hơn 1 thì vị trí xy ra ng suất làm việc đó được đánh giá không an toàn. Hình 2 biểu diễn sơ
đồ phương pháp tối ưu kết cu.
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 80 - 87
http://jst.tnu.edu.vn 83 Email: jst@tnu.edu.vn
3. Thiết lập mô hình mô phỏng và tính toán, phân tích kết qu
3.1. Mô hình hóa khung Quadcopter
Hình 3. Mô hình Quadcopter ban đầu Q1
nh 4. Mô hình Quadcopter tối ưu (a) khung Q2,
(b) khung Q3
Quá trình mô hình hóa để dựng khung Quadcopter ban đầu (khung Q1) đưc thc hiện trên
phn mm thiết kế kSolidworks. Kích thước ban đầu ca Quadcopter sau khi bn v đầu
hoàn thành kích thước dài rng cao 620 mm 620 mm 300 mm trọng lượng
khong 632,06 g. Trong bài báo này, 3 mẫu khung được s dụng là mẫu Q1, Q2 Q3 (Hình
3 và Hình 4). Trong đó, các mẫu khung Q2 và Q3 được dựng lên sau khi tối ưu dần t mu khung
ban đầu Q1.
Hình 5 và Hình 6 tả kích thước hình hc ca ba mẫu khung Q1, Q2, Q3. Các tm trung
tâm cùng kích thước bao ngoài 160 mm × 160 mm × 5 mm. Trên hai khung Q1 Q2, thanh
Arm được liên kết c định vi 2 tấm trung tâm. Với trường hp khung Q3, thanh Arm thể
xoay góc 45 liên kết vi hai tấm trung tâm qua 2 chi tiết mới đầu c định trc xoay ca
Arm (gi tắt là FX45) và X45 gii hạn góc xoay 45°.
Hình 5. Tm thân của các mẫu khung a) Q1, b) Q2 c) Q3
Hình 6. Vùng liên kết Arm và các tm trung tâm a) Q1, Q2 và b) Q3
(a)
(b)
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 80 - 87
http://jst.tnu.edu.vn 84 Email: jst@tnu.edu.vn
3.2. Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng
Tre là loại vt liệu được s dụng để làm khung Quadcopter. Tre trọng lượng nh, do, dai,
chu lực cao, phổ biến nước ta. Ngoài ra, tre n loại vt liệu xanh, phát triển bn vng,
thân thiện với môi trường. Bng 1 gii thiệu thông số
đặc trưng cơ lý cho loài tre được dùng để thiết kế cho
Quadcopter [10].
Khi phân tích tĩnh, khung Quadcopter chịu các lực
tải trọng tác dụng bao gm: lực đẩy ớng lên
bốn động cơ; tải trng của các thiết b, linh kiện được
đặt trên Quadcopter; ti trng của chính khung
Quadcopter. Trong nghiên cứu này, động quay sử dụng động T-motor MN601S KV170
vi pin Lipo 6S (khong 22,2V). Cánh quạt (Propeller) d tính sử dụng có chiều dài D = 21” với
Pitch P = 6,3". Trong đó, Pitch là quãng dịch chuyn tnh tiến ca quạt sau khi quay được 1 vòng
360°. Ta có công thức tính, lực đẩy của động cơ [7] cho như sau:
Lực đẩy còn lại ca từng động tác động lên đế đặt động sau khi triệt tiêu đi trọng lượng
của motor là: Ts = 23 3 = 20(N)
Tấm trung tâm chịu ti trng của các thiết b linh kiện như pin, thiết b định vị, thu phát và các
thiết b khác. Trọng lượng của các thiết b này 15N, tác động vào tấm trung tâm trên.
Quadcopter mang vt phẩm khối lưng 2 kg (xp x 20 N). Ti trọng này sẽ đặt vào mặt dưới
ca tấm trung tâm dưới. Các điều kiện biên được áp dụng trong phân tích tĩnh của khung được
th hin trong Hình 7.
Sau bưc thiết lập điều kiện biên và chia lưới cho kết cu, phn mm tiến hành tính toán, thi
gian tính toán còn phụ thuộc vào số ợng t lưới cấu hình máy của người dùng. Trong bài
toán này, số ợng điểm nút phần t được chia s dụng trong chia lưới là: 1166027 nút
235400 phn t. Quá trình tính toán kết thúc, tùy thuộc vào kết qu cn lấy mà phần mm cho ra
những hình ảnh mô phỏng các trường s liệu tính toán. Từ các số liệu phỏng thu được ly
ra kết qu ca ng suất và chuyển v và tiến hành tối ưu kết cấu. Sau đó tiến hành so sánh kết qu
v ng sut ca hai mẫu trước và sau điều chnh.
Hình 7. Các điều kiện biên
Hình 8. ng suất phân bố ti tm thân ca khung Q1
3.3. Phân tích, đánh giá kết qu
Mục đích của vic tối ưu là loại b kết cấu dư thừa để làm nhẹ kết cu, hoặc thay đổi cu kin
để tăng tính thẩm m mà vẫn đảm bo mục tiêu yêu cầu ban đầu ca kết cấu. Hình 8 biểu th giá
tr ng sut ti tấm trung tâm của khung Q1. Sau quá trình phân tích số liu, ta thy ng sut
các bộ phận như tấm trung tâm trên, tấm trung tâm ới giá trị h s an toàn cao. Điều này
chng t khung Quadcopter tha bền để chu tải nên cần được loi b bt kết cấu thừa. Da
trên kết qu phân tích trên, khung Q2 đưc to ra bằng cách cắt khoét một s khu vực trên hai
Bng 1. Một vài đặc tính cơ học ca tre[10]
Tre
Giá trị
Khối lượng riêng
812 kg/m3
Mô đun đàn hồi
6255 MPa
H s Poisson
0,3
ng sut ti hn
92,84 MPa