การออกแบบน้ำหนักเบาของโครงสร้างน้ำผึ้งอลูมิเนียมของลำตัวโดรน

Jul 17, 2025

ฝากข้อความ

ในสนามของโดรนที่มีประสิทธิภาพสูงน้ำหนักคือศัตรูนิรันดร์และความแข็งแรงของโครงสร้างเป็นบรรทัดล่างของการอยู่รอด . เมื่อวิศวกรจ้องมองท้องฟ้าธรรมชาติได้ให้คำตอบที่ลึกซึ้ง: honeycomb . การจัดเรียงที่สมบูรณ์แบบของ hexagons ความลับของการออกแบบที่มีน้ำหนักเบาพึมพำสมัยใหม่ - โครงสร้างน้ำผึ้งอลูมิเนียม . เมื่อฟอยล์อลูมิเนียมแสงถูกเปลี่ยนเป็นวัสดุหลักเป็นหินแข็งเหมือนหินภายใต้งานฝีมือที่แม่นยำการปฏิวัติที่มีน้ำหนักเบาในท้องฟ้าเริ่มต้นขึ้น

 

Lightweight design of aluminum honeycomb structure of drone fuselage

 

honeycomb structure

 

1. โครงสร้าง honeycomb อลูมิเนียม: รหัสหลักของการออกแบบน้ำหนักเบา

โครงสร้างน้ำผึ้งอลูมิเนียมเป็นวัสดุคอมโพสิตแซนวิช:

* เลเยอร์พื้นผิว (แผง): มักจะทำจากวัสดุบางและความแข็งแรงสูงเช่นแผ่นโลหะผสมอลูมิเนียม (2024, 7075, ฯลฯ .), คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์หรือคอมโพสิตใยแก้ว .

 

* Core Layer: นั่นคือวัสดุแกนรังผึ้งอลูมิเนียม . มันทำจาก hexagonal จำนวนมาก (ที่พบมากที่สุดมีรูปร่างอื่น ๆ เช่นเซลล์อลูมิเนียมสองชั้นที่มีการขยายตัวของเซลล์ การเพิ่มช่วงเวลาของความเฉื่อยของโครงสร้าง .

 

ความลับของน้ำหนักเบามาจากหลักการทางกลที่สวยงาม:

* ความแข็งที่เฉพาะเจาะจงสูงและความแข็งแรงเฉพาะ: ความแข็งในการดัดของโครงสร้างแซนวิชเป็นสัดส่วนกับสี่เหลี่ยมจัตุรัสของความหนาแกน . ซึ่งหมายความว่าด้วยวัสดุแผงเดียวกันการเพิ่มความหนาของแกนรังผึ้งอย่างมีนัยสำคัญสามารถปรับปรุงความแข็งของโครงสร้างโดยรวมได้อย่างมีนัยสำคัญ 30-150 kg/m³ต่ำกว่าอลูมิเนียมที่เป็นของแข็ง 2700 kg/m³มาก) ซึ่งทำให้โครงสร้างแซนวิชทั้งหมดมีความแข็งที่เฉพาะเจาะจงมาก (ความแข็ง/ความหนาแน่น) และความแข็งแรงเฉพาะ (ความแข็งแรง/ความหนาแน่น) . สำหรับส่วนประกอบต่างๆ

 

* การบีบอัดที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานแรงเฉือน: โครงสร้างหกเหลี่ยมของรังผึ้งสามารถกระจายการบีบอัดและแรงเฉือนที่ส่งโดยแผงไปยังผนังเซลล์แต่ละห้องอย่างมีประสิทธิภาพ . ผนังรังผึ้งส่วนใหญ่มีแรงตามแนวแกน

 

* การดูดซับพลังงาน: เมื่อได้รับผลกระทบหรือชนกันแกนน้ำผึ้งอลูมิเนียมสามารถดูดซับพลังงานจำนวนมากผ่านการเปลี่ยนรูปแบบควบคุมการบดของตัวเองปกป้องอุปกรณ์และโครงสร้างภายในได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับปรุงความสามารถในการรอดชีวิตของเสียงพึมพำ .

 

* แพลตฟอร์มรวมมัลติฟังก์ชั่น: พื้นที่เซลลูลาร์ปิดที่เกิดขึ้นโดยแกนรังผึ้งเป็นช่องทางธรรมชาติสำหรับการเดินสายและการติดตั้งอุปกรณ์ขนาดเล็ก . โครงสร้างรังผึ้งเองก็มีฉนวนกันร้อนและคุณสมบัติฉนวนกันความร้อนบางอย่าง .}}}}}

 

aluminum honeycomb structure

 

2. อลูมิเนียม honeycomb วัสดุหลัก: การแกะสลักความแม่นยำของกระบวนการผลิต

ประสิทธิภาพของวัสดุแกนรังผึ้งอลูมิเนียมนั้นขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตอย่างมาก:

* การเลือกวัสดุ: ฟอยล์อลูมิเนียมอัลลอยที่ใช้กันทั่วไปรวมถึง 3003 (ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี), 5052 (ความแข็งแรงปานกลาง, ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี), 2024, 7075 (ความแข็งแรงสูง) . ความหนาของฟอยล์มักจะอยู่ระหว่าง 0 {{{7} 02 มม. และ 0.1 มม.

 

* กระบวนการขึ้นรูป:

* การเชื่อมต่อการเชื่อม/การประสานและการยืด: นี่เป็นวิธีการหลักมากที่สุด . อลูมิเนียมฟอยล์ที่เคลือบด้วยกาวหรือวัสดุบีบอัดจะถูกซ้อนกันในช่วงเวลาที่แม่นยำ โครงสร้าง . ความหนาแน่นของวัสดุหลักถูกกำหนดโดยความหนาของฟอยล์และระยะห่างของโหนด (ขนาดเซลล์) .

 

* วิธีการขึ้นรูป Corrugation: อลูมิเนียมฟอยล์ถูกกดลงในการกัดต่อเนื่องและจากนั้นแผ่นลูกฟูกจะถูกซ้อนกันและติดกาวเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างรังผึ้ง . วิธีนี้มีความยืดหยุ่นต่ำกว่าเล็กน้อย .}}

 

* การควบคุมพารามิเตอร์คีย์:

* ขนาดของเซลล์: หมายถึงความกว้างของด้านตรงข้ามของ honeycomb hexagon . ขนาดทั่วไปมีตั้งแต่ 1/8 นิ้ว (ประมาณ 3 . 2 มม.) ถึง 1 นิ้ว (ประมาณ 25 . 4mm) หรือใหญ่กว่า โดยทั่วไปเซลล์ขนาดเล็กจะให้ความแข็งแรงและความแข็งที่สูงขึ้น แต่ความหนาแน่นอาจสูงขึ้นเล็กน้อย เซลล์ขนาดใหญ่มีน้ำหนักเบา แต่เปลี่ยนรูปได้ง่ายกว่าภายใต้แรงกดดันในท้องถิ่น

 

* มาตรวัดฟอยล์: ส่งผลโดยตรงต่อความหนาและความแข็งแรงของผนังรังผึ้ง . ฟอยล์ที่หนาขึ้นความแข็งแรงหลักและความแข็งของแกนก็จะยิ่งสูงขึ้น

 

* ความหนาแน่นของแกน: มวลของแกนรังผึ้งต่อปริมาตรหน่วย (kg/m³) . มันเป็นตัวบ่งชี้หลักสำหรับการวัด "น้ำหนัก" และ "ความแข็งแรง" ของวัสดุหลักซึ่งถูกกำหนดโดยขนาดของเซลล์และความหนาของฟอยล์ . ความสมดุล

 

* ทิศทางหลัก (l vs . w): cores honeycomb คือ anisotropic ในคุณสมบัติเชิงกล . โดยทั่วไปการบีบอัดและคุณสมบัติแรงเฉือนขนานกับทิศทางการสแต็กฟอยล์

 

aluminum honeycomb structure of drone

 

3. การผลิตโครงสร้างแซนวิช: ศิลปะและความท้าทายของการเชื่อม

การเชื่อมวัสดุแกนรังผึ้งอลูมิเนียมอย่างมากกับแผ่นใบหน้าที่มีความแข็งแรงสูงเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตโครงสร้างแซนวิชประสิทธิภาพสูง:

* การเลือกกาว: ฟิล์มกาวโครงสร้างประสิทธิภาพสูงเช่นฟิล์มอีพอกซีเรซินส่วนใหญ่จะใช้ . เมื่อเลือกจำเป็นต้องพิจารณาอุณหภูมิการบ่ม (การบ่มอุณหภูมิปานกลางประมาณ 120 องศาหรือการบ่มอุณหภูมิสูง ฯลฯ .

 

* การรักษาพื้นผิว: จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทำการรักษาพื้นผิวอย่างเข้มงวด (เช่นกรดฟอสฟอริกอะโนไดซ์กรดโครมิกอะโนไดซ์หรือไพรเมอร์พิเศษ) บนใบหน้าท้ายของแผ่นใบหน้าอลูมิเนียมอัลลอยด์และวัสดุแกนรังผึ้งเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนเพิ่มพื้นที่ผิว

 

* กระบวนการติดกาว:

* การวาง: วางแผงด้านล่างฟิล์มกาววัสดุหลักรังผึ้ง (โดยปกติจะประกอบเข้ากับรูปร่างที่ต้องการ) ฟิล์มกาวและแผงด้านบนบนแม่พิมพ์ตามลำดับ .}

 

* การบ่มถุงสูญญากาศ: ปิดผนึกส่วนประกอบที่วางไว้ด้วยถุงสูญญากาศอพยพและใช้แรงดันสม่ำเสมอ (ประมาณ 1 ชั้น) จากนั้นส่งพวกเขาไปยังหม้อนึ่งความดันหรือเตาอบ . ในการควบคุมความดันสูงขึ้น กาวและตรวจสอบให้แน่ใจว่าอินเทอร์เฟซพันธะที่มีความแข็งแรงสูงและปราศจากข้อบกพร่องระหว่างแผงและวัสดุหลัก . นี่เป็นวิธีมาตรฐานสำหรับการผลิตโครงสร้างการบินคุณภาพสูงคุณภาพสูง .}

 

* กดการบ่ม: สำหรับชิ้นส่วนที่มีรูปร่างที่เรียบง่ายและขนาดเล็กกว่าการบ่มสามารถดำเนินการในการกดด้วยแผ่นทำความร้อน .}

 

* การเติมแกนกลางและการรักษาขอบ: เพื่อตอบสนองความต้องการของการติดตั้งตัวยึดสารประกอบที่ประกอบด้วยอีพอกซีเรซินและไมโครสเฟียร์มักถูกฉีดเข้าไปในส่วนที่ต้องการ (เช่นจุดเชื่อมต่อ) สำหรับการเติมและการเสริมแรง . ขอบของแผงแซนวิช

 

Lightweight design of aluminum honeycomb structure

 

4. ความท้าทายการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา: การค้นหาความสมดุลระหว่างความสว่างและความแข็งแรง

แม้จะมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ แต่การออกแบบและการประยุกต์ใช้โครงสร้างอลูมิเนียมรังผึ้งก็เผชิญกับความท้าทายมากมายเช่นกัน:

* ความไวต่อความเสียหาย: แผงของโครงสร้างรังผึ้งค่อนข้างบางและมีความไวต่อผลกระทบในท้องถิ่น (เช่นเครื่องมือที่หล่น, หินบินและลูกเห็บ) . ผลกระทบอาจทำให้แผงตรวจสอบหรือแม้กระทั่งการเจาะและความเสียหายที่เกิดขึ้น BVID) แต่มันจะทำให้ความแข็งแรงของโครงสร้างอ่อนแอลงอย่างมีนัยสำคัญ . เมื่อออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาเพิ่มการเสริมแรงในท้องถิ่นหรือเลือกวัสดุแผงควบคุมแรงกระแทกมากขึ้น (เช่นคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์) .}}

 

* การบุกรุกความชื้นและการกัดกร่อน: หากซีลขอบหรือความเสียหายของแผงทำให้ความชื้นผ่านเข้าสู่แกนรังผึ้งการขยายตัวของน้ำแข็งในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำจะขยายรังผึ้งทำให้เกิด "การกักเก็บน้ำ" หรือ "การแยกแกน". การเก็บรักษาความชื้นในระยะยาว เทคโนโลยีการเคลือบแบบไฮโดรโฟบิกใหม่กำลังได้รับการแนะนำให้รู้จักกับการกัดเซาะความชื้นอย่างแข็งขัน .

 

* การออกแบบการเชื่อมต่อ: การติดตั้งส่วนประกอบอื่น ๆ (เช่นวงเล็บมอเตอร์, เกียร์เชื่อมโยงไปถึงเซ็นเซอร์) บนแผงแซนวิชหรือการเชื่อมต่อระหว่างแผงเป็นปัญหาการออกแบบ . ความเข้มข้นของความเครียดจะเกิดขึ้นในพื้นที่เชื่อมต่อ วัสดุการปลูกโดยใช้การซ้อนทับแบบก้าว ฯลฯ .) .

 

* ค่าใช้จ่าย: อลูมิเนียมฟอยล์คุณภาพสูงกระบวนการผลิตที่แม่นยำ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการบ่มด้วยหม้อนึ่งความดัน) การควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวดและกระบวนการประกอบที่ค่อนข้างซับซ้อนทำให้ต้นทุนการผลิตของโครงสร้างแซนวิชอลูมิเนียมฮันนี่คอมบ์มักสูงกว่าโครงสร้างโลหะแผ่นโลหะ.

 

* การสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์ความซับซ้อน: การจำลองพฤติกรรมของโครงสร้างแซนวิชรังผึ้งอย่างแม่นยำภายใต้โหลดที่ซับซ้อน (การดัด, แรงเฉือน, แรงบิด, การบีบอัด, แรงกระแทก) เป็นสิ่งที่ท้าทาย . วัสดุหลักมักจะเทียบเท่ากับความเสียหายที่เป็นเนื้อเดียวกัน มักจะต้องใช้ชุดแซนวิชเฉพาะ) .

 

Lightweight design of aluminium honeycomb structure

 

5. เพิ่มขึ้นในท้องฟ้า: แอปพลิเคชันทั่วไปของอลูมิเนียมรังผึ้งในโดรน

โครงสร้างของอลูมิเนียมรังผึ้งได้กลายเป็นโซลูชันโครงสร้างที่ต้องการสำหรับโดรนกลางถึงสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งปีกคงที่การบินขึ้นในแนวดิ่งและการลงจอด (VTOL) และโดรนที่ยาวนาน (Hale/Male) เนื่องจากประสิทธิภาพน้ำหนักเบาที่ยอดเยี่ยม

 

* FUSELAGE: มันประกอบไปด้วยเปลือกหอย (ผิวหนัง), กำแพงกั้น, พื้น, กำแพงกั้น, ฯลฯ . มันให้ลักษณะที่มีความคล่องตัว, รองรับอุปกรณ์, และมีการบินของการบิน (ความดันแอโรไดนามิก, แรงเฉื่อย)

 

* ปีก/หาง: สกินด้านบนและด้านล่างโครงสร้างขอบและต่อท้าย, ซี่โครงปีก, และพื้นผิวควบคุม (ailerons, ลิฟต์, หางเสือ) ของส่วนกล่องหลักปีก (กล่องสปาร์) ใช้โครงสร้างแซนวิชรังผึ้ง . นี่เป็นส่วนที่สำคัญที่สุดสำหรับการลดน้ำหนัก ชุดของโดรนการถ่ายภาพทางอากาศระดับสูงใช้การออกแบบแซนวิชของแกนรังผึ้งอลูมิเนียมและแผงคาร์บอนไฟเบอร์ในโครงสร้างภายในของแขนให้ความแข็งและความต้านทานแรงบิดที่จำเป็นในการเรียกร้องเที่ยวบิน

 

* Fairings and Canopies: ใช้ในช่องเครื่องยนต์ช่องอุปกรณ์ฝาครอบเรดาร์ ฯลฯ . ให้รูปร่างและการป้องกันอากาศพลศาสตร์ในขณะที่ต้องมีน้ำหนักเบา . ครอบคลุมเรดาร์จำเป็นต้องตอบสนองความต้องการการส่งคลื่นไฟฟ้า

 

* วงเล็บภายในและแผ่นติดตั้งอุปกรณ์: ใช้สำหรับการติดตั้งอุปกรณ์สำคัญอย่างแม่นยำเช่นคอมพิวเตอร์ควบคุมเที่ยวบิน, หน่วยความเฉื่อยของ IMU, แบตเตอรี่, โหลดออพโตอิเล็กทรอนิกส์, ฯลฯ . ให้การสนับสนุนความร้อนสูงเพื่อแยกการสั่นสะเทือน

 

Lightweight design of aluminum honeycomb structure of drone

 

6. แนวโน้มในอนาคต: นวัตกรรมชายแดนบนถนนสู่น้ำหนักเบา

การวิจัยและพัฒนาและการประยุกต์ใช้โครงสร้างอลูมิเนียมรังผึ้งยังคงพัฒนาอยู่:

* โครงสร้างวัสดุหลักไฮบริด: ในส่วนประกอบเดียวกันตามความแตกต่างของการกระจายโหลดวัสดุหลักที่มีความหนาแน่นต่างกันขนาดเซลล์ที่แตกต่างกันและแม้กระทั่งวัสดุที่แตกต่างกัน (เช่นอลูมิเนียมรังผึ้งและโฟม PMI, Honeycomb Nomex) รวมกันเพื่อให้ได้อัตราส่วนประสิทธิภาพต่อน้ำหนักที่ดีขึ้น

 

* honeycomb การไล่ระดับสีที่ใช้งานได้: ขนาดของเซลล์หรือความหนาของฟอยล์แตกต่างกันอย่างต่อเนื่องในอวกาศเพื่อให้ตรงกับการกระจายความเครียดของส่วนประกอบ .

 

* โครงสร้างอัจฉริยะและการตรวจสอบสุขภาพ: ฝังเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสง, เซ็นเซอร์ piezoelectric, ฯลฯ . เข้าไปในแกนรังผึ้งหรืออินเทอร์เฟซพันธะเพื่อตรวจสอบความเครียดอุณหภูมิและความเสียหายของโครงสร้าง

 

* การประยุกต์ใช้วัสดุขั้นสูง: สำรวจอลูมิเนียมอัลลอยอลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงกว่าฟอยล์ไทเทเนียมโลหะผสมน้ำผึ้ง (สำหรับพื้นที่อุณหภูมิสูง) และการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุแผง (เช่นคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าและคอมโพสิตที่ใช้เซรามิก) .}}}}}}}

 

* การผลิตสารเติมแต่ง (การพิมพ์ 3 มิติ): เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะให้ความเป็นไปได้ใหม่สำหรับการผลิตวัสดุหลักที่มีการกำหนดค่าการเพิ่มประสิทธิภาพทอพอโลยีที่ซับซ้อน (เช่นโครงสร้างตาข่ายไบโอนิค) หรือฟังก์ชั่นแบบบูรณาการซึ่งคาดว่าจะผ่านข้อ จำกัด ของรูปร่างรังผึ้งแบบดั้งเดิม

 

* เทคโนโลยีการผลิตและการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น: พัฒนากระบวนการบ่มแบบอัตโนมัตินอก AutoClave (OOA) กระบวนการบ่มการทดสอบแบบไม่ทำลายล้าง (NDT) ที่เชื่อถือได้มากขึ้นและโซลูชั่นการเชื่อมต่อที่เป็นนวัตกรรมเพื่อลดต้นทุนและปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต .}

โครงสร้างน้ำผึ้งอลูมิเนียมการตกผลึกของแรงบันดาลใจจากรังผึ้งได้กลายเป็นรากฐานที่มีน้ำหนักเบาที่ขาดไม่ได้สำหรับโดรนที่จะทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้า . มันทำให้เกิดโครงสร้างที่แข็งแกร่งด้วยความสว่างของฟอยล์ เป็นโดรน; การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างทุกครั้งจะขยายขอบเขตของการสำรวจท้องฟ้าของมนุษย์ . เมื่อ honeycomb อลูมิเนียมแสงกระซิบที่แกนกลางของเสียงพึมพำมันไม่เพียง แต่อุปกรณ์ที่ซับซ้อนเท่านั้น

 

aluminium honeycomb structure

 

aluminum honeycomb structure panel

 

>ข้อมูลอ้างอิงหลัก:

>1. Gibson, l . j ., & ashby, m . f . (1997) . กด . *(รากฐานทางทฤษฎีคลาสสิกของวัสดุ Honeycomb) *

>2. hexcel Corporation . (2023) . *เทคโนโลยีการออกแบบแซนวิช honeycomb hexweb *. *(คู่มือทางเทคนิคของผู้ผลิตวัสดุหลัก

>3. Vinson, j . r . (2001) . *โครงสร้างแซนวิช: อดีตปัจจุบันและอนาคต *{5}} ใน J . r . (eds .), *โครงสร้างแซนวิช 7: การก้าวหน้าด้วยโครงสร้างและวัสดุแซนวิช *(pp . 3-12) . Springer . *(ทบทวนประวัติการพัฒนา

>4. Zenkert, d . (ed .) . (1995) . *การแนะนำการก่อสร้างแซนวิช *. วิศวกรรม

>5. *โครงสร้างคอมโพสิต *(วารสาร) . Elsevier . *(วารสารนานาชาติที่ได้รับแรงกระแทกสูงที่เผยแพร่ผลการวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับโครงสร้างแซนวิชวัสดุรังผึ้งและการออกแบบน้ำหนักเบา) *