Dolphin Sky : utredning og utvikling av sammenfoldbart propell- og thrustersystem

Abstract

Denne masteroppgaven er en del av et pågående prosjekt ved REALTEK på NMBU. Prosjekt ble opprinnelig startet for å utvikle et trehjulskjøretøy som skulle være et alternativ på et mer miljøvennlig framkomstmiddel. Dette resulterte først i to kjøretøyskonsepter ved navn Dolphin Duo og Dolphin Family. I 2016 ble konseptet utviklet videre ved å implementere svevefunksjon. Dette konseptet fikk navnet Dolphin Sky og denne oppgaven vil omhandle en videreutvikling av dette kjøretøyet. Hovedmålsettingen for oppgaven er å utrede og utvikle et sammenfoldbart propell- og thrustersystem for Dolphin sky slik at propellene og thrusterne ikke opptar unødig plass ved parkering eller ved kjøring på vei. For å kunne oppnå dette målet ble det undersøkt hvilke løsninger som allerede eksisterer. Egenskapene på løsningene ble deretter kartlagt og det ble vurdert om noen av disse kunne tilpasses Doplhin sky. Det ble bestemt noen krav som den valgte løsningen skulle innfri når det gjaldt nødvendig sikkerhet, ønsket vekt og styrkeegenskaper. Videre ble det valgt konsepter for arm-, motor- og propellkonfigurasjon samt vurdert hvordan propellene eventuelt skulle skjermes. Det ble deretter valgt en armplassering og løsninger for sammenfolding og komprimering og det ble vurdert og valgt ut en løsning for supplering av oppdrift. Det ble utført en styrkeberegning på de mest utsatte delene etter et valg av egnet materiale. Beregningen ble deretter kontrollert ved hjelp av en FEM-analyse. Prosjektets løpt er lagt opp i henhold til metoden IPD, noe som er med på å effektivisere utviklingsprosessen. Osborns SCAMPER metode er blitt benyttet til å utvikle løsningsalternativer for produktet og Pughs metode er brukt til å velge ut hvilken løsning som er mest egnet for formålet. Dimensjoneringen av konstruksjonens komponenter har blitt utført ved hjelp av anerkjent beregningsteknikk og Luftfartstilsynets forskrifter er brukt som grunnlag for å bestemme forutsettingene for beregningene. Ansys workbench er benyttet til å utføre FEM-analysen og CAD-modellen er fremstilt ved hjelp av Solidworks. Utviklingsløpet startet med å planlegge prosjektet og spesifisere prosjektet. Målene for oppgaven ble etablert sammen med problemstillingene og de teknologiske flaskehalsene. Det ble etablert en prosjektplan som innehold alle de ulike aktivitetene i prosjektet. Det ble avsatt en periode som hver aktivitet skulle gjennomføres på og når en overordnet aktivitet var gjennomført var dette markert med en milepæl. Etter at prosjektplanen var etablert ble begrensningene for oppgaven bestemt. Videre ble metodene som skulle benyttes i oppgaven utredet og deretter relevant teori og teknologi. Produktets ønskede krav og egenskaper ble så bestemt. I neste trinn ble det generert mulige løsninger. Disse løsningene sammen med noen av de som ble lagt frem i teknologiutredningen ble med videre til utvelgelsesprosessen der løsningene som ble ansett som mest egnet ut fra de ønskede egenskapene ble valgt. I neste steg av prosessen ble det etablert hvilke komponenter som ville være mest kritiske med hensyn på lastpåføring. Disse komponentene ble dimensjonert og spenningen ble kontrollert ved hjelp av håndberegninger. På bakgrunn av arbeidet gjort frem til da ble en CAD-modell fremstilt ved hjelp av Solidworks. De valgte løsningene og de tiltenkte produksjonsmetodene for konstruksjonen ble deretter kontrollert ved hjelp av en eksperttest. Det ble lagt en forenklet modell av de mest kritiske komponentene på konstruksjonen og det ble utført en FEM-analyse av denne som be kontrollert opp mot tidligere håndberegninger. Til slutt ble de endelige produksjonsmetodene utredet og det ble utført en kostnadsanalyse.

Utover semesteret har det blitt jobbet jevnt hele veien, men det ble brukt litt for mye tid på enkelte deler av rapporten som kunne vært mer kortfattet. Arbeidsplanen ble dermed ikke fulgt hele veien og som en konsekvens av det måtte det gjøres noen forenklinger ved enkelte deler av prosjektet da tiden ikke strakk til. I tillegg kunne det blitt gjort flere begrensinger i med tanke på valg og utvikling av konsepter. Det kunne også blitt avsatt mere tid til kvalitetssikring av produktet i form av faglitteratur og en mer omfattende eksperthjelp. Resultatet av prosjektet ble en konstruksjon med fire propellarmer som har mulighet for teleskopering og rotering for sammenfolding. Armene er symmetrisk plassert og befinner seg på toppen av kabinen til kjøretøyet. Hver propellarm er utstyrt med en vinge for ekstra løftekraft og hver arm har to mot-roterende propeller med hver sin motor. Det er også tilrettelagt for at propellen kan vinkles for økt fremdrift. Propellene har to blader og kan også sammenfoldes. Det er tilrettelagt for at konstruksjonen kan utstyres med en ballistisk fallskjerm. Og kjøretøyet er ment til å lande og lette fra et designert område. Konstruksjonen består av aluminium 7075 T651 og 7075 T6. Den veier 106,5 kg ikke medberegnet innkjøpte deler. Konstruksjonens ytterdimensjoner utfoldet vil være: 4310,7x4310,7x313 mm, målt fra propelltuppene. I sammenfoldet stilling vil ytterdimensjonene være: 2105,3 mm bred, 1975,9 mm lang og 313 mm høy. Ved en videre utvikling bør det gjøres en ny evaluering om det vil være hensiktsmessig å bruke vinger og det kan vurderes om det finnes bedre måter å utføre sammenfoldingen på. Det bør vurderes om konstruksjonen bør ha et ytre skall for beskyttelse. Konstruksjonen bør optimaliseres for å redusere vekten. Det bør vurderes om propellene kan skjermes slik at kjøretøyet kan brukes i urbane miljøer, men skjermingen kan ikke gå på bekostning av flygeevnen. Det bør styrkeberegnes og utføres lab tester på flere kritiske deler, som: rotasjonsledene, profilarmene, festemekanismen for teleskopfunksjonen, propellene og underplaten. Det bør utføres en stabilitets og tyngdepunktsberegning og en beregning av egenfrekvensen. Festeanordningen mellom propellkonstruksjonen og bilrammen må utredes og beregnes. Det bør utføres en analyse av aerodynamikken til kjøretøyet. Nye sikkerhetstiltak bør utredes. Forbindelser som limes bør kontrolleres med en beregning. Det bør vurderes om vibrasjonene forårsaket av propellene bør dempes og om utsatte komponenter bør beregnes for levetid. Elektronikken og styresystemet til kjøretøyet må også utvikles.

This master thesis is part of an ongoing project at the faculty of science and technology at the Norwegian university of life sciences. Originally the project was stared to develop a three-wheeled car that was supposed to be an alternative for more environmentally friendly vehicle. This initially resulted in two vehicle concepts, Dolphin Duo and Dolphin Family. In 2016 the concept was developed further by implementing a hovering function. The new concept was given the name Dolphin Sky and this thesis will involve a further development of this vehicle. The primary objective of the project is to assess and develop a foldable propeller and thruster system for Dolphin Sky, so the propellers and thrusters don’t occupy unnecessary space when parking or when driving on the road. To achieve this goal there was done an investigation of existing solutions. The properties of the solutions were then mapped out and evaluated if they could be adapted to Dolphin sky. Requirements involving safety, desired weight, and strength properties where established. Furthermore, arm, engine and propeller configuration concepts were chosen, as well as an evaluation of how the propellers would be shielded. Possible solutions for folding and compressing the system were assessed and in addition to a solution for supplementing the lift force. And a calculation on the most vulnerable components was conducted. A strength calculation was performed on the most vulnerable parts after choosing a suited material. The calculation was then checked with the help of a FEM-analysis. The project is laid out according to the IPD, which helps streamline the development process. Osborn’s SCAMPER method has been used to develop new solutions for the product and Pugh’s method has been used to choose which solution is most suited for the required purpose. The dimensioning of the components of the construction have been carried out using recognized calculation techniques and The Norwegian Civil Aviation Authority's regulations have been used as a basis for determining the preconditions of the calculations. Ansys Workbench has been used to perform the FEM analysis and the CAD model has been developed using Solidworks. The development process started by planning and specifying the project. The objectives of the assignment were established together with the thesis questions and the technological bottlenecks. A project plan was established that contained all the various activities in the project. A period was set for each activity to be carried out and when a major activity was completed, it was marked with a milestone. After the project plan was established, the limitations for the thesis were determined. Furthermore, the methods used in the task were explained in addition to relevant theory and technology. The desired requirements and characteristics of the product were then determined. In the next step, possible solutions were generated. These solutions together with some of the ones presented in the technology investigation were brought to the selection process where the solutions that were considered most suitable based on the desired properties were chosen. In the next step of the process, the most critical components with regards to the load were established. These components were dimensioned, and the stress was controlled by hand calculations. Based on the work done thus far, a CAD model was produced using Solidworks. The chosen solutions and the intended production methods for the construction were then checked using an expert test. A simplified model of the most critical components of the construction was produced and a FEM analysis was carried out. The results were then compared against previous hand calculations. Finally, the final production methods were explained, and a cost analysis was carried out

Work has been performed steadily throughout the semester, however there was spent too much time on certain parts of the report, which could have been more concise. The work schedule was thus not followed all the way and consequently, some simplifications had to be made on some parts of the project. In addition, more constraints could have been made in consideration to the selection and development of concepts. There could also have been allocated more time for quality assurance of the product in the form of subject literature and a more extensive expert help. The result of the project was a construction with four propeller-arms that have the possibility of telescoping and rotating for folding. The arms are placed symmetrically and are located on the top of the vehicle's cab. Each propeller-arm is equipped with a wing for extra lift and each arm has two counter-rotating propellers with a motor each. The propellers can also be angled for increased forward propulsion. The propellers have two blades that can also be folded together. The construction facilitates the possibility that a ballistic parachute can be equipped. And the vehicle is meant to land and take off from a designated area. The structure consists of aluminium 7075 T651 and 7075 T6. It weighs 106.5 kg not including purchased parts. The exterior dimensions of the structure when unfolded are: 4310,7x4310,7x313 mm, measured from the tips of the propellers. In the folded position, the outer dimensions will be: 2105.3 mm wide, 1975.9 mm long and 313 mm high. In a further development, a new evaluation should be made regarding whether it would be appropriate to use wings and if there are better ways to perform the folding. It should be considered whether the structure should have an external shell for protection. The design should be optimized further to reduce weight. It should be considered whether the propellers can be shielded so that the vehicle can be used in urban environments, however the shielding cannot be at the expense of the flying ability. Strength calculations and experiments should be conducted on several critical parts, such as: the rotary joints, the propeller-arms, the telescopic fastening mechanism, the propellers and the subplate. A stability and a center of gravity calculation should be conducted in addition to a calculation of the natural frequency of the system. The attachment between the propeller assembly and the car frame must be investigated and calculated. An analysis of the aerodynamics of the vehicle should be conducted. New security measures should be investigated. components that are glued should be checked with a calculation. It should be considered whether the vibration caused by the propellers should be dampened and if vulnerable components should be calculated for fatigue. The vehicle's electronics and control system must also be developed.