This thesis studies the feasibility of integrating the novelStructural Battery (SB)[1] into the airframe of a UnmannedAerial Vehicle (UAV). The potential advantages in terms ofmass, range and endurance are studied.The aircraft performance is analysed using conventionalflight mechanics, modelled in Matlab and Xfoil. The structureis designed and analysed using composite laminate theoryand beam theory in conjunction with verification in AnsysMechanical. An iterative procedure was used to arriveat a design that satisfied the set structural- and flight requirements.The currently demonstrated structural battery has a specificenergy density of 23.8Wh/kg, an elastic modulus of25GPa and tensile strength of at least 300MPa.[1]The laminae properties used in this master thesis were estimatedusing the Reuss and Voigt model combined with theRule of Mixtures (RoM). A quasi isotropic SB laminate wasmodelled according to the previous structural requirementsand assumed material properties. It yielded an elastic modulusof 54GPa. In order to simplify the analysis the energyand stiffness were decoupled. The SB was assigned a specificenergy of 23.8Wh/kg and 60.6Wh/kg according to thevalues measured and estimated previously[1].A SB with a tensile modulus of 54GPa and specific energyof 24Wh/kg was shown not to be beneficial to integrate intothe primary aircraft structure. The designed SB yieldeda reduction in flight range of 5.8%. This was shown bycomparing the designed SB with a reference aircraft configuration.The reference configuration uses a conventionalbattery that has a specific energy density of 160Wh/kg andconventional Carbon Fibre Composite (CFC) with an elasticmodulus of 71GPa.It was shown that the integration of the SB modelled wouldbecome beneficial compared to the reference aircraft configurationwhen the SB specific energy exceeds 33Wh/kg.The integration of a structural battery with a specific energyof 60.6Wh/kg yielded a flight range improvement of16.9% compared to the reference aircraft. / Denna masteruppsats undersöker möjligheten att integrera ett Strukturellt batteri SB[1] i flygkroppen av en flygande vinge-drönare. Möjliga fördelar beaktat vikt, räckvidd och flygtid studeras.Flygplanets flygprestanda analyseras med klassisk flygmekanik, modellerat i Matlab och Xfoil. Flygplansstrukturen är designad och analyserad genom en kombination av kompositlaminat-teori och balktoeri. Ansys Mechanical används some ett stöd vid modelleringen och verifiering. En iterativ metod används för att komma fram till den slutgiltiga designen som uppfyller de strukturella och flygmekaniska kraven.Dagens påvisade strukturella batteri har en specifik energidensitet på 23,8Wh/kg, en styvhetsmodul på 25GPa och en brottgräns på minst 300MPa [1].Laminategenskaperna uppskattades med Reuss och Voigtmodellen i kombination med Rule of Mixtures (RoM). Ett kvasi-isotropiskt SB laminat modellerades med tidigarenämda strukturella krav och antagna materialegenskaper. Vilket gav en elasticitetsmodul på 54GPa. För att förenkla analysen så antogs energin och styvheten vara frikopplade. SB specifika energi sattes till 23,8Wh/kg och 60.6Wh/kg enligt värden framtagna tidigare[1].Det visade sig att ett SB med en styvhet på 54GPa och en specifik energi på 24Wh/kg ej var lönsamt att använda. Det gav en räckviddsminskning på 5,8%. Detta visades genom att jämföra SB-flygplanet med ett konventionellt referensflyplan.Referensflyplanet använder ett vanligt batteri med en specifik energi på 160Wh/kg och konventionell kolfiberkomposit (CFC) med en elasticitetsmodul på 71GPa.Studien visade att det modellerade strukturella batteriet skulle löna sig gentemot referensflyget om den specifika energin överstiger 33Wh/kg. Om man istället integrerar ett strukturellt batteri med en specifik energi på 60,6Wh/kgsåg man en förbättring på 16,9% jämfört mot referensen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-309957 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Burman, Gustav |
| Publisher | KTH, Lättkonstruktioner |
| 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 ; 2021:349 |
Page generated in 0.0021 seconds