Nowadays, the forestry industry still uses heavy machinery damaging both the forest and the soil. The start-up AirForestry is currently developing a sustainable way to thin and harvest trees. With their 6.2m wide electric drone carrying a harvesting tool, they can reach, thin, cut and carry trees without the need for access roads. Naturally, the drone needs to be as lightweight as possible to increase its endurance and operation range. Therefore, the first version of the drone was manufactured before the thesis with a carbon fibre laminate. The purpose of this thesis is to study and optimize the composite structure of the drone. The first step is to characterize the existing design through experiments and simulations using the software ANSYS. Static bending loads, free vibrations, and forced vibrations are investigated against a set of predefined design requirements. This study shows that the contact surfaces between each arm and with the motor holders have high-stress concentrations compared to the rest of the arm. This means that most of the arm can be made thinner to lessen the weight with some extra reinforcement on those problematic areas. The second step is to optimize the laminate to decrease the weight of the structure. A preliminary optimization was made and manufactured at the beginning of the thesis with strict limitations on the choice of the lamina or available thicknesses. Similar bending and vibration experiments and simulations are conducted on the new design to compare it with the older model. While the mass was expected to decrease by about 30 $\%$, the final measured weight of the arms indicates a drop of only 15 $\%$ of the mass. The model is then optimized further with more freedom in the design variables. Several variables are successively optimized: the material choice for the laminae, the thickness then of the laminae, and the angles of the plies. The mass of the structure with the final laminate has an expected decrease in mass of 45$\%$, saving more than 12kg in total / I dag använder skogsindustrin fortfarande tunga maskiner som skadar både skogen och marken. Det nystartade företaget AirForestry utvecklar för närvarande ett hållbart system för att gallra och skörda träd: en 6,2 meter breda elektriska drönare som bär ett avverkningsverktyg. Med den kan de nå, gallra, avverka och bära träd utan att behöva använda tillfartsvägar. Naturligtvis måste drönaren vara så lätt som möjligt för att öka dess uthållighet och räckvidd. Därför tillverkades den första versionen av drönaren före examensarbetet med ett kolfiberlaminat. Syftet med detta arbete är att studera och optimera drönarens kompositstruktur. Det första steget är att karakterisera den befintliga konstruktionen genom experiment och simuleringar med hjälp av programvaran ANSYS. Statiska böjningsbelastningar, fria vibrationer och påtvingade vibrationer undersöks med avseende på en uppsättning fördefinierade konstruktionskrav. Det andra steget är att optimera laminatet för att minska strukturens vikt. En preliminär optimering gjordes och tillverkades i början av arbetet med strikta begränsningar för valet av lamina eller tillgängliga tjocklekar. Liknande böjnings- och vibrationsexperiment och simuleringar utförs på den nya konstruktionen för att jämföra den med den äldre modellen. Även om massan förväntades minska med cirka 30 $\%$, visar den slutliga uppmätta vikten på armarna att den endast minskat med 15 $\%$. Modellen optimeras sedan ytterligare med större frihet i konstruktionsvariablerna. Flera variabler optimeras successivt: materialvalet för lamellerna, lamellernas tjocklek och vinklarna på skikten. Strukturen med det slutliga laminatet får då en förväntad minskning av massan med 45 $\%$, vilket innebär en total besparing på mer än 12 kg.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-340463 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Delmotte, Helena |
| Publisher | KTH, Lättkonstruktioner, marina system, flyg- och rymdteknik, rörelsemekanik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2023:031 |
Page generated in 0.0023 seconds