Dolphin Sky : chassisløsning for person- og varetransport-drone

Abstract

Det eksisterer vesentlige framkommelighets og slitasje problemer på dagens veier grunnet stor trafikktetthet, spesielt i og rundt store byer og på hovedveier, og det er antatt at disse problemene vil øke i fremtiden. Det vil derfor være gunstig å utforske mulighetene for å kunne utvide bevegelsesrommet for personlig, person og varetransport til å også omfatte rommet oppover i luften. Konseptet Dolphin har siden 2007 vært under utvikling ved REALTEK, med målsettingen å utvikle små, lette, kompakte og miljøvennlige kjøretøyskonsepter. Konseptet omfatter flere kjøretøysvarianter med ulike bruksområder og størrelser, der en av variantene er et person og varetransport dronekonsept med tiltenkt kapasitet for en person. Dronekonseptet heter Dolphin Sky og har vært utgangspunktet for denne gradsoppgaven. Denne masteroppgaven har hatt som målsetting å utrede, utvikle og designe en lettvekts chassisløsning for person og varetransportdronekonseptet Dolphin Sky. Videre skulle det utarbeides en masterrapport som redegjør for alle trinn i utviklingsprosessen, herunder; beregninger, tekniske tegninger og anvisninger. Gradsoppgaven skulle også danne grunnlaget for det videre arbeid med konseptet. Det er gjennomgående i mastergradsoppgaven benyttet forskjellige produktutviklingsmetodikker og verktøy, deriblant; IPD, Pughs og Ashbys-seleksjonsmetodikk og SCAMPER. Standard beregningsprosedyrer er også fulgt. Metodikkene ble benyttet for å sikre at prosjektet ble gjennomført på en strukturert og effektiv måte, for å minimere feil, samt for å fatte gunstige løsningsvalg. Mastegradsarbeidet ble påbegynt med en utredningsprosess der tidligere arbeid utført på Dolphin konseptet, samt konkurrerende løsninger ble utredet. Hensikten med dette var å oppnå en forståelse av Dolphin prosjektets nåværende utviklingsstatus, og for å innhente spesifikasjoner som kunne være med på å danne grunnlaget for kravspesifikasjonen. Deretter ble det teoretiske og teknologiske grunnlaget for oppgaven utredet og redegjort for i rapporten. Dette omfattet temaene aerodynamikk, konstruksjonsteknologi og antropometri, som alle ville spille en viktig rolle i utarbeidingen av løsningens kravspesifikasjon, samt danne grunnlaget for å kunne utarbeide gode kriterier og løsningsalternativer i seleksjonsprosessen. Etter at utredningsprosessene var unnagjort, begynte arbeidet med å utarbeide en kravspesifikasjon til løsningen. Det ble besluttet at løsningen skulle designes for å tilfredsstille målene til personer innenfor 1 og 99 prosentilene. Ut ifra dette ble det fastsatt krav om vekt og plasskapasitet, inn og utgangsmuligheter og utsiktsforhold. Med fastsatt maksimal tilgjengelig løftekraft gitt i en tidligere utført gradsoppgave, ble det utarbeidet krav til hva løsningen maksimalt kunne veie. Maksimalvekten ble fastsatt til 100 kg. Det ble også satt krav om at løsningen minst skulle inneha en sikkerhet på 2,0 mot materialflyt og 2,6 mot materialbrudd. Neste steg i prosessen var å utarbeide løsningsalternativer for utforming, konstruksjonsmetode og konstruksjonsmateriale. Løsningsalternativene omvendt usymmetrisk dråpeform, forsterket skall konstruksjon og aluminiumslegeringen AA-7150-T6151 ble valgt som henholdsvis utformingsprinsipp, konstruksjonsprinsipp og konstruksjonsmateriale. Det ble besluttet at det videre i prosjektet kun skulle fokuseres på utviklingen av den interne rammestrukturen i det valgte konstruksjonsprinsippet, ettersom det ikke ville være mulige å utvikle en forsterket skallkonstruksjon med de tilgjengelige ressursene. Det ble deretter utført grunnlagsberegninger for å bestemme nødvendig tversnittdimensjon for rammens elementer. Først ble det utført en kartlegging av belastningene som virker på konstruksjonen, og utarbeidet to belastingstilfeller som løsningen skulle dimensjoneres mot. Det ble så utarbeidet et løsningsforslag for plasseringen av elementer i den høyest belastede delen av rammekonstruksjonen (sikkerhetsstrukturen). Beregningsmodellen ble dimensjonert i ANSYS Workbench slik at den tilfredsstiller kravene til sikkerhet fra kravspesifikasjonen, samt innehar en sikkerhetsfaktor på minst 3 mot knekking (ANSYS og metode 1). Den anvendte beregningsmodellen ble verifisert med håndberegninger for å sikre at de innhentede resultatene var pålitelige. Det ble besluttet at det skulle benyttes ekstruderte profiler med hult kvadratisk tverrsnitt, da dette ville medføre vektbesparelser ovenfor solide tverrsnitt. Videre ble det besluttet at profilene skulle sammenføyes med limfobindelser i knutepunktene. Grunnet utilstrekkelig limareal på profilenes overflate, ble det utformet knutepunktoverganger som øker limearealet i forbindelsene. Neste steg i prosessen var å utarbeide en 3 dimensjonal modell av sikkerhetsstrukturen i SolidWorks med alle løsningsvalgene implementert. Modellen ble importert til ANSYS Workbench og det ble verifisert at den tilfredsstilte kravspesifikasjonen. Det ble også utarbeidet et løsningsforslag for en komplett ramme som inkluderer en fremre og bakre del. Merk at det for disse ikke er benyttet det angitte sammenføyningsprinsippet, og at disse derfor kun benyttes til illustrasjoner og til vektbergening. Løsningsforslaget for den komplette rammen er heller ikke analysert i ANSYS. Til slutt ble det utarbeidet anvisninger og estimert kostnader for framstilling av en prototype. Resultatet av mastergradsarbeidet er at det er blitt utarbeidet et løsningsforslag for sikkerhetsstrukturen til person og varetranspotdronekonseptet Dolphin Sky. Løsningsforslaget er utført i aluminiumslegering AA-7150-T6151, og består av totalt 38 sammenlimte deler, derav; 22 stk. ekstruderte profiler med standardisert hult kvadratisk tverrsnitt av ulike lengder og 16 stk. knutepunktoverganger med to ulike overgangsutforminger (8 stk. per utforming). Konstruksjonen tilfredsstiller de fastsatte kravene i kravspesifikasjonen, og er laget for å kunne bli benyttet av både en 1 prosentil kvinne og en 99 prosentil mann. Konstruksjonen veier totalt 13,8 kg og er 860 mm lang, 860 mm bred og 1360 mm høy. Sikkerhetsfaktorene i konstruksjonen er 3,9, 3,5, over 3, 33,9 og 8, mot henholdsvis statisk brudd, materialflyt, knekking (metode 1), knekking (ANSYS) og mot avskjæring i limte forbindelser. Dimensjoneringen er utført med belastningstilfeller som er ekvivalente med en lastfaktor på henholdsvis +2,26 og -0,69 med en 99 prosentil mann og et førersete på 50 Kg innsatt i konstruksjonen. Maksimal deformasjon i konstruksjonen er 29,4 mm ved maksimal belastning. Den totale kostnaden for framstilling av en prototype er blitt estimert til 675640 NOK. Videre er innfestingspunkter for integrasjon med løftemodulen ikke utarbeidet, men plasseringen til disse er blitt koordinert med Tarek El-Gewely, det er også lagt inn bjelker i gulvet til innfesting av førersete og øvrig interiør. Det komplette løsningsforslaget for rammen er 2140 mm langt, 860 mm bredt og 1360 mm høyt, og har en totalvekt på 25,8 Kg. Undertegnedes vurdering er at både oppgavens hovedmål og delmål er nådd. Oppgaveomfanget ble dog noe underestimert, og det medførte at oppgaven måtte innskrenkes til å omhandle utvikling av sikkerhetsstrukturen i chassiset, samt at det er måttet blitt gjort en del antakelser og forenklinger underveis. Videre arbeid ble delt inn i forbedringer av utviklet løsning og videreutvikling av konseptet. De viktigste momentene fra første punkt er at forenklinger og antakelser gjort i oppgaven bør etterses av eksperter (karlegging av krefter, belastningstilfeller, framstilling og kostnadsestimat og limforbindelser) av sikkerhetsmessige årsaker, da dette ikke er gjort underveis. Videre bør det lages en modell av limforbindelsen som testes for aktuelle statiske og dynamiske laster. Det må også etableres om det er mulig å framskaffe de aktuelle profilene i den valgte legeringen. Dersom dette ikke er tilfellet må legeringsvalget forandres, legeringene 7075-T6 og 2024-T8 er mulige alternativer. Videre anbefales det at løsningsforslagene for fremre og bakre chassis ferdigstilles slik at den komplette rammen kan ferdigstilles. Det burde også utvikles innfestingspunkter til løftemodulen og interiørløsningen. For videre utvikling av konseptet er det anbefalt å utvikle en forsterket skallkonstruksjon, fortrinnsvis med utgangspunkt i den utviklede løsningen, grunnet konstruksjonsprinsippets mange fordeler. Det burde vurderes muligheten for å designe løsningen etter standarder slik at den kan sertifiseres som trehjulskjøretøy og som normal kategori rotorluftfartøy.

There are significant congestion and wear problems on today's roads due to high traffic density, especially in and around major cities and on main roads, and it is likely that these problems will increase in the future. It would therefore be beneficial to explore the possibilities of expanding the usable space for personal, transportation of people and goods to also include the space upwards in the air. The Dolphin concept has since 2007 been under development at REALTEK, with the aim of developing small, lightweight, compact and environmentally friendly vehicles. The concept consists of several different vehicle variants with different intended uses and sizes, with one of variants being a person and freight drone concept with the intended load capacity for one person. The drone concept is called Dolphin Sky and has been the basis for this master thesis. This aim of this master thesis has been to investigate, develop and design a lightweight chassis for the person and freight transport drone concept Dolphin Sky. Furthermore, to produce a thesis report that describes and documents all stages of the development process, including; calculations, technical drawings and instructions. The thesis also aims to form the basis for further development of the concept. Throughout this project, various product development methods have been used, including; IPD, Pughs and Ashby's selection methodology and SCAMPER. Standard procedures for calculations have also been followed. The methods were used to ensure that the project was implemented in a structured and efficient manner, to minimize errors, as well as to ensure that favorable solution choices where selected in the selection processes. The project started with an investigation process where previous work on the Dolphin concept, and similar competing drone solutions were investigated. The purpose of the investigation was to gain an understanding of the current development status of the Dolphin project, and to obtain specifications that might help form the basis for the requirement specification. Then the theoretical and technological basis for the thesis where investigated and explained in the report. This included topics such as aerodynamics, construction technology and anthropometry, all of which would play an important role in the development of the solution's requirements specification and provide the basis for developing alternatives for the selection process. After the investigation process was completed, the work of developing the requirement specification for the solution began. It was decided that the solution should be designed such that it could accommodate both 1 and 99 percentile persons. From this, requirements for weight and space capacity, door dimensions and viewing conditions were derived. With the specification for maximum lifting force established in a previously completed thesis, requirements for the chassis maximum allowable weight was set to 100 kg. It was also decided that the safety factors in the solution should be equal or higher than 2,0 against the construction material’s yield limit and 2,6 against the construction material’s ultimate failure limit. The next step in the process was to develop different solution options for the selection process. Options for design, construction and material where derived. The solution options; reversed unsymmetrical drop shape, reinforced shell construction and aluminum alloy AA-7150-T6151 were chosen as design principle, construction principle and construction material respectively. It was then decided that the further development of the project would be limited to developing the internal framework of the chosen construction principle, due to limited recourses. Baseline calculations were then conducted to ascertain the required cross-sectional specifications for the frame elements. First, a survey of the loads that affect the construction was conducted and from this two load cases for which the solution was to be designed after where derived. A proposed solution for the placement of construction elements in the highest loaded part of the frame structure (safety structure) was made. The proposed safety structure was then dimensioned in ANSYS Workbench to meet the requirements of safety from the requirement specification, and a safety factor of at least 3 against buckling (ANSYS and Method 1). The calculation model used in ANSYS was then verified by hand calculations to ensure that the obtained results were reliable. It was then decided that extruded profiles with hollow square cross section where to be used in the chassis, as this would result in weight savings compared to profiles with solid cross sections. Furthermore, it was decided that the profiles should be joined by adhesive bonds at the junctions. Due to insufficient adhesion area on the surface of the profiles, node junctions were designed. The next step in the process was to develop a 3-dimensional model of the security structure in SolidWorks with all the selected solutions implemented. The model was then imported to ANSYS Workbench and it was verified that it satisfied the specified requirements. A complete framework was also developed that includes solution suggestions for the front and rear part of the chassis. Note that for these, the designed node junction has not been implemented in the junctions, and that these therefore only are used for illustrations and weight calculations. The complete frame has also not been analyzed in ANSYS. The development process was concluded with cost estimations and development of production instructions for the solution prototype. The result of the master thesis is that a solution proposal for the safety structure for Dolphin Sky has been derived. The proposed solution is made of aluminum alloy AA-7150-T6151 and consists of a total of 38 parts assembled by adhesive bonds, using two component epoxy; 22 pcs. extruded profiles with standardized hollow square cross section of different lengths and 16 pcs. node junctions with two different junction designs (8 pcs. per design). The construction meets the requirements of the requirement specification and is designed to accommodate both a 1 percent woman and a 99 percent male. The construction weighs a total of 13.8 kg and is 860 mm long, 860 mm wide and 1360 mm high. The safety factors in the construction are 3.9, 3.5, above 3, 33.9 and 8, respectively, against static fracture, material yield, buckling (method 1), buckling (ANSYS) and failure due to shear in the adhesive connections. The dimensioning was performed with load cases equivalent to a load factor of +2,26 and -0,69 with the weight of a 99-percentile man and 50 Kg of interior inserted in the construction. Maximum deformation in the construction is 29.4 mm at maximum load. The total cost of producing a prototype has been estimated at 675640 NOK. Furthermore, attachment points for integration with the lifting module have not been designed, but the location of these has been coordinated with Tarek El-Gewely, and there are also beams placed in the floor for the mounting of the driver's seat and other interior elements. The complete solution for the frame is 2140 mm long, 860 mm wide and 1360 mm high, with a total weight of 25.8 Kg. The author’s assessment is that both the main and intermittent objectives for the thesis have been reached. However, the scope of the assignment was somewhat underestimated, which meant that the project had to be limited to addressing the development of the safety structure in the chassis, and that some assumptions and simplifications had to be made along the way. Recommendations for further work was divided into improvements of the developed solution and further development of the Dolphin Sky concept. The main points from the first of these; are that the simplifications and assumptions should be verified by experts (estimation of forces, load cases, production and cost estimates and adhesive joints) for safety reasons, as this has not been done along the way. Furthermore, a model of the adhesive joint should be constructed and tested for relevant static and dynamic loads. It should also be established whether it is possible to obtain extruded profiles of the selected alloy. If this proves not to be the case, the choice of alloy must likely be changed. Alloys 7075-T6 and 2024-T8 are possible alternatives. Furthermore, it is recommended that the front and rear chassis solutions are fully developed so that the internal chassis is completed. It should also be developed attaching points for the lifting module and interior. For further development of the concept, it is recommended that a reinforced shell structure with basis in the developed solution is developed, due to the favorable characteristics of the construction principle. It should also be considered to fully implement the requirements from standards for certification of three-wheel vehicles and normal category of rotor aircrafts, so that the solution can be certified as such.