Mekanisk design, analys och tillverkning av vindtunnelmodell och stödstruktur

The use of wind tunnel models for aerodynamic research is nowadays indispensable to aviation progress in the last years as aircrafts have become more complex. Wind tunnel model design and manufacturing has adopted many different processes and materials such as the use of a five-axis CNC; making this process a relatively long and expensive one. Composite materials offer a good trade-off between ease and cost of manufacturing compared to the more traditional methods, especially for in-house-built prototypes. This volume covers the different phases from design to manufacturing of a wind tunnel model for the MK18 conceptual blended wing-body UAV designed by KTH Green Raven Project students.The model is a down-scaled 1.5 meter span version with a belly-mounted two-strut support. The main structural requirements for the model are to withstand the aerodynamic loads obtained via CFD simulations. A mechanical interface for the support structure connection was designed. Carbon fiber reinforcement with an epoxy resin matrix was selected as the constituents for the airframe skins. A finite element model of the design was developed by using Abaqus to verify the overall structural behavior and stability. The manufacturing strategy of the airframe skins involved producing lightweight fiberglass molds out of CNC milled MDF male patterns and using vacuum infusion process to obtain the final carbon fiber parts. The internal structure members were manufactured out of different materials and processes from water-jet cutting of aluminum profiles to 3D-printed plastic components. The FEA study results showed that the model withstands the maximum loads with a high safety factor and a wing-tip deflection of less than 2\% of half the wingspan. The manufacturing of the molds turned out to be longer and more complicated than expected, but with overall good results. The composite skins came out with good mechanical and surface quality. The total weight of the model resulted in approximately 4.5 kg. Pressure taps were positioned and installed on the model skins. Their respective tubes routed in CAD to visualize the networking for manufacturing. This ensured proper placement to balance ease of installation with meaningful data collection.Användningen av vindtunnelmodeller för aerodynamisk forskning är idag oumbärlig för flygets framsteg eftersom flygplan de senaste åren har blivit mer komplexa. Vindtunnelmodelldesign och konstruktion har använder många olika tillverkningsmetoder och material såsom femaxlig CNC; vilket gör processen relativt långsam och dyr. Kompositmaterial ger en bra avvägning mellan enkelhet och tillverkningskostnad jämfört med de mer traditionella metoderna, särskilt för egenbyggda prototyper. Denna rapport behandlar faserna från design till tillverkning av en vindtunnelmodell för en konceptuell blended wing-body UAV, MK18, konstruerad av KTH Green Raven Project­studenter. Modellen är en nedskalad version med 1,5 meter spännvidd som monteras på ett bukmonterat, tvådelat stöd. De viktigaste kraven på modellen är att kunna motstå de aerodynamiska belastningarna som beräknats via CFD­simuleringar. Den interna strukturen i modellen utformades för att integrera anslutningen med stödstrukturen. Kolfiber tillsammans med en epoxihartsmatris valdes som beståndsdelar för flygplanets skal. En finit elementmodell av designen utvecklades med hjälp av Abaqus FEA för att verifiera det övergripande strukturella beteendet och stabiliteten. Tillverkningsstrategin för flygplansskalet innebar att man tillverkade lätta glasfiberformar på CNC­frästa MDF­hanformar och använde en vakuuminfusionsprocess (VIP) för att erhålla de slutliga kolfiberdelarna. De inre strukturdelarna tillverkades av olika material och processer från bearbetning av aluminiumprofiler till 3D­utskrivna plastkomponenter. FEA­studieresultaten visade att modellen tål de maximala belastningarna med en hög säkerhetsfaktor och uppvisar en utböjning vid vingspetsarna på mindre än 2% av halva spännvidden. Tillverkningen av formarna visade sig ta längre tid och vara mer komplicerad än väntat, men gav övergripande goda resultat. Kompositskalet visade sig ha god mekanisk ytskvalitet. Modellens totala vikt blev under 5 kg. Hål för tryckmätning placerades också på modellens skal och rören drogs i en CADmodell för att visualisera nätverket för tillverkning. Detta säkerställde korrekt placering för att balansera enkelhet i installationen med meningsfull datainsamling