李 嘯

(江蘇省南京市揚(yáng)子第一中學(xué)，江蘇 南京 210048)

·實(shí)驗(yàn)研究·

3D打印四軸飛行器外殼設(shè)計(jì)的改進(jìn)

李 嘯

(江蘇省南京市揚(yáng)子第一中學(xué)，江蘇 南京 210048)

四軸飛行器是目前市場(chǎng)普及的玩具，可供娛樂(lè)、航拍和進(jìn)行相關(guān)大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)，本文所述四軸飛行器外殼由3D打印技術(shù)生成，外殼若按照通常方式打印則極易發(fā)生變形，筆者結(jié)合物理知識(shí)，通過(guò)加筋處理很好地解決了形變問(wèn)題.

3D打??；四軸飛行器；外殼改進(jìn)

1 引言

受南京市環(huán)保局邀請(qǐng)，我校開(kāi)展了一項(xiàng)利用四軸飛行器檢測(cè)大氣PM2.5濃度的科技活動(dòng)，筆者利用3D打印機(jī)打印出了四軸飛行器外殼.本以為這是一件平常事，但對(duì)學(xué)生的影響非常不一般，更重要的是外殼的設(shè)計(jì)理念傳遞給學(xué)生一種意識(shí)，要求學(xué)生結(jié)合物理原理對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn).

如圖1所示，當(dāng)筆者將設(shè)計(jì)打印的四軸飛行器在學(xué)校里試飛時(shí)，引起了師生們的強(qiáng)烈興趣，他們過(guò)來(lái)看這個(gè)用3D打印的飛行器，很驚訝這是用打印機(jī)打出來(lái)的，因此，不少學(xué)生主動(dòng)要求學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，愿望非常強(qiáng)烈，筆者以此教具向?qū)W生講解其中蘊(yùn)含的科學(xué)原理、涉及的技術(shù)和作品蘊(yùn)含的藝術(shù)性.

圖1

2 去粗取精，刨去不合格產(chǎn)品

如圖2所示，這是市場(chǎng)上四軸飛行器中的一種產(chǎn)品，機(jī)架的設(shè)計(jì)存在缺陷.四軸飛行器是由四個(gè)電機(jī)軸平行地放置在一個(gè)平面上的四個(gè)對(duì)角點(diǎn)上，要求每個(gè)螺旋槳的升力垂直于水平面向上，圖2中的電機(jī)臂最容易彎曲的扁平面剛好在這個(gè)受力方向上，而剛性好的方向卻在水平方向，這樣很容易引起電機(jī)軸方向改變而使升力方向改變，導(dǎo)致飛行器不穩(wěn)定或無(wú)法飛行.為了不容易發(fā)生彎曲，要加厚這個(gè)臂，但這又不符合飛行器的輕質(zhì)要求.

模仿這種設(shè)計(jì)而用3D打印機(jī)打出來(lái)的機(jī)架因?yàn)槿菀鬃冃?，前后打了五、六次才飛起來(lái).雖然可以將圖2中的電機(jī)臂繞臂軸方向旋轉(zhuǎn)90度，使寬面在垂直方向，這種設(shè)計(jì)比較符合受力結(jié)構(gòu)，但這也不是很好的設(shè)計(jì)理念.如圖3所示，我們應(yīng)該采用薄壁管形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)重量輕，可以在管道中放置飛行器的一些部件如電路板等而不需要作固定處理，不但外形美觀，而且經(jīng)過(guò)加筋處理的結(jié)構(gòu)具有很好的剛度和強(qiáng)度，這正是飛行器需要的合理結(jié)構(gòu).可結(jié)合物理原理向?qū)W生介紹該飛行器優(yōu)點(diǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.

圖2

圖3

3 結(jié)合物理知識(shí)解釋設(shè)計(jì)原理

如圖3所示，這種管形臂是一端大、另一端小的變徑管結(jié)構(gòu)，為什么這樣做？這是由力矩決定的.如圖4所示，支點(diǎn)是O點(diǎn)，電機(jī)臂長(zhǎng)Oa乘螺旋槳的升力F是以O(shè)點(diǎn)為支點(diǎn)的力矩，而與之平衡的力矩是變管徑Ob乘管壁的張力f或恒管徑(圖4中虛線是恒徑管)，有Oa×F=Ob×f或者Oa×F=Ob′×f′，由于Ob′f，因此，當(dāng)根部管徑變大時(shí)，這個(gè)部位的受力會(huì)大大減小而不易變形，同時(shí)也不容易損壞這種強(qiáng)度不是很高的塑料機(jī)臂.從圖5中可以看到，這架摔壞的四軸飛行器，它的斷裂部位在電機(jī)臂的根部，說(shuō)明此處受力最大.以此類推，距離電機(jī)越近的管臂受力越小，管徑亦可小些，因此而采用這種漸變管徑的結(jié)構(gòu)達(dá)到質(zhì)輕而強(qiáng)度和剛度最大.再一個(gè)問(wèn)題是薄的管形物在受到彎折力相對(duì)較大時(shí)，也比較容易管壁變形而折斷(如圖6).

圖4

圖5

圖6

圖6所示的損壞是因?yàn)檩S向受力過(guò)大造成的，解決的辦法是在管道內(nèi)做條加強(qiáng)筋.這道筋具有雙重作用，先看管壁受到壓力情況，如圖7所示為管道截面圖，這個(gè)機(jī)臂截面是個(gè)橢圓，中間的這道筋減小了來(lái)自管壁外壓力F造成的變形，管壁把力F傳到了兩端形成力f″，而兩端被筋拉住，形成力f′，這個(gè)f′與f″形成一對(duì)平衡力，使管壁不易變形，因此這種結(jié)構(gòu)不容易損壞.再?gòu)碾姍C(jī)臂的軸向截面看電機(jī)臂的結(jié)構(gòu)，如圖8所示，這個(gè)管形中的加強(qiáng)筋如同一道梁，梁的寬面放置方向正是升力的扭力方向，也是剛性最強(qiáng)、最不容易變形的方向.因此，當(dāng)這個(gè)設(shè)計(jì)成為實(shí)物后，可看出重量明顯變輕且剛性較好，所有的方向在受力時(shí)都不易變形或變形很小，完全符合四軸飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求.

圖7

圖8

經(jīng)歷上述改進(jìn)歷程，學(xué)生深刻體會(huì)到任何困難都有解決的有效途徑，需要不斷嘗試、改進(jìn)，選取最優(yōu)化模型.學(xué)生在動(dòng)手、動(dòng)腦的同時(shí)，不僅提高了學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的興趣，更培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力.

童明浩,王君,鄭曉,梁冰,彭俊.基于3D打印技術(shù)的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,(2):9-12.