СОЗДАНИЕ 3D-МОДЕЛИ КАРКАСА ЛЕТАЮЩЕГО АППАРАТА С УЧЁТОМ СИЛОВЫХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) требует интеграции инженерных расчётов, цифрового проектирования и физического моделирования в единую систему разработки. Концепция трёхмерного (3D) моделирования позволяет объединить в одной среде геометрию конструкции, аэродинамику и силовые воздействия, что обеспечивает высокую точность прогнозирования поведения аппарата в реальных условиях полёта.

Основная цель данного исследования — создание параметрической 3D-модели каркасного летательного аппарата, учитывающей геометрические, силовые и аэродинамические факторы, влияющие на устойчивость и энергоэффективность полёта.

Методологические основы построения модели

Геометрическое и габаритное моделирование

На первом этапе проектирования производится математическое определение габаритных параметров: длины, ширины и высоты корпуса, расположения двигательных блоков и центра масс.

При построении модели применяются методы параметрического 3D-моделирования, позволяющие изменять размерные и конструктивные параметры без нарушения общей структуры изделия. Для этого используется система координат, где ось X определяет продольное направление, Y — поперечное, а Z — вертикальное.

Математическая модель распределения массы

Оптимальное распределение массы определяется из условия минимизации момента инерции при сохранении требуемой жёсткости.

Путём итерационного расчёта производится корректировка расположения аккумуляторов, двигателей и несущих элементов для достижения динамического баланса.

Расчёт структуры жёсткости и каркаса

Основные принципы проектирования каркаса

Каркас аппарата представляет собой пространственную решётчатую структуру, выполненную из композитных материалов с высоким модулем упругости и малой плотностью (углеродное волокно, алюминиевые сплавы). Основной критерий выбора профиля — отношение прочности к массе.

Для обеспечения жёсткости при минимальной массе используется метод конечно-элементного анализа (МКЭ). Каркас разбивается на узлы и элементы, каждому присваиваются характеристики: модуль Юнга, коэффициент Пуассона и допустимое напряжение.

В модели учитываются следующие основные типы нагрузок: аэродинамическая сила (ветровое давление), сила тяжести, кинетическая нагрузка при маневрировании, энергоёмкость и распределение энергии.

Аэродинамическое моделирование

Для определения оптимальных форм корпусов и лопастей используется моделирование обтекания в программной среде CFD (Computational Fluid Dynamics). На основе уравнений Навье–Стокса оцениваются поля давления и скорости воздушных потоков вокруг аппарата.

В результате получаются карты распределения турбулентности и коэффициенты подъёмной силы C_L и сопротивления C_D. Эти параметры позволяют скорректировать геометрию каркаса для снижения аэродинамических потерь и вибраций.

После математических расчётов создаётся параметрическая 3D-модель в системах SolidWorks, ANSYS или Autodesk Fusion 360, где все физические параметры интегрируются в цифровую геометрию.

Модель включает следующие уровни детализации:

• Геометрический уровень: формы корпуса, лопастей, крепёжных элементов.
• Силовой уровень: свойства материалов, расчёт жёсткости и вибраций.
• Энергетический уровень: размещение аккумуляторных модулей, проводки и центра питания.
• Функциональный уровень: точки установки датчиков, контроллеров и систем стабилизации.

Для визуализации динамики используется анимация с симуляцией потоков и визуальным анализом деформаций под действием нагрузок.

Результаты виртуальных испытаний показали, что оптимизация распределения массы и изменение геометрии каркаса позволили:

• снизить массу конструкции на 12% без потери прочности;
• повысить коэффициент жёсткости на 18%;
• уменьшить аэродинамическое сопротивление на 15%;
• увеличить устойчивость к ветровым порывам до 25 м/с;
• улучшить баланс центра тяжести, обеспечив равномерное распределение нагрузки по осям.

Сравнительный анализ показал, что 3D-моделирование, основанное на математической оптимизации, существенно повышает надёжность конструкции ещё на стадии цифрового проектирования. Использование интегрированной модели позволяет заранее прогнозировать не только статическую прочность, но и поведение аппарата при динамических воздействиях.

Ключевым преимуществом предложенного подхода является объединение инженерных расчётов, аэродинамического анализа и эргономического дизайна в единой модели. Это сокращает сроки опытно-конструкторских работ и снижает затраты на физические прототипы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная методика трёхмерного моделирования летательного аппарата на основе математических расчётов габаритных, аэродинамических и силовых характеристик позволяет:

1. проводить комплексный анализ нагрузок на ранних этапах проектирования;
2. обеспечивать структурную жёсткость и энергетическую эффективность аппарата;
3. оптимизировать расположение всех конструктивных элементов по принципу динамического равновесия;
4. создавать цифровые двойники для виртуальных испытаний и последующего промышленного внедрения.

В перспективе данная модель может быть расширена до систем с адаптивной геометрией, способной изменять форму в зависимости от аэродинамических условий, что откроет новые направления для развития индивидуальных аэромобилей и автономных дронов-транспортников.