На физико-техническом факультете Томского государственного университета студенты работают с реальными задачами от промышленных партнеров. Так, бакалавры Кирилл Карнаухов и Никита Чернов под руководством доцента кафедры механики деформируемого твердого тела ФТФ ТГУ Александра Козулина при подготовке своих выпускных квалификационных работ спроектировали новую конструкцию БПЛА квадрокоптерного типа, изготавливаемую с использованием отечественных компонентов. Задача включала создание усиленного аналога коммерческого дрона DJI Mavic 3 Pro с расчетом прочности его конструкции при соударении с препятствием при аварийной посадке. Выпускные работы студентов стали частью инженерного проекта, который ТГУ выполнял по заказу компании — разработчика беспилотников.
Факультет получил этот проект после победы в конкурсе «Подготовка молодежных команд» от Университета 2035 в рамках федерального проекта «Кадры для беспилотных систем». Задачи для участников формулировали реальные промышленные компании. В одной из таких заявок целью было разработать новую усиленную конструкцию БПЛА на основе численного расчета его поведения при соударении с препятствием и аварийной посадке, способную выдерживать падение с трех метров без разрушений.
Такие беспилотники активно применяются в гражданской сфере — для доставки посылок, агромониторинга, аэросъемки и других задач — и часто выходят из строя по вине внешних воздействий и внутренних сбоев. В ходе работы студенты ФТФ ТГУ разрабатывали цифровые двойники конструкций беспилотников, моделировали экстремальные условия их эксплуатации и определяли, как распределяются напряжения в элементах корпуса устройства.
Как уточняет научный руководитель Александр Козулин, большинство серийных дронов подобного типа рассчитаны на идеальные условия работы — взлет и посадку с ладони или ровной поверхности. На практике это не всегда возможно: при нештатных ситуациях — сбоях связи, разряде батареи или порывах ветра — аппарат теряет управление и падает на неподготовленную поверхность. Легкий пластиковый корпус таких моделей обычно не выдерживает удара и ломается.
По этой причине заказчик поставил задачу разработать конструкцию корпуса с повышенной прочностью. Коммерческий аналог, на который ориентировались студенты, стоит сотни тысяч рублей, и его разрушение при первом падении — серьезный риск для эксплуатирующей организации.
— Задача пришла от промышленного партнера, который занимается массовым производством отечественных беспилотников. Нужно было создать модель квадрокоптера, аналогичного Mavic 3 Pro, но разработанного на отечественной базе и с увеличенным запасом прочности — не менее трех. То есть конструкция должна выдерживать в три раза большую нагрузку, чем предполагается при эксплуатации, — поясняет Александр Козулин. — При этом проектирование проводилось с учетом возможностей массового производства: модель должна быть не только прочной, но и пригодной для серийного производства доступными средствами изготовления. Например, литьем пластмасс или аддитивной печатью.
По словам Александра Козулина, подобные беспилотные технологии могут применяться в обследовании строительных конструкций, сельском хозяйстве, экологическом мониторинге и геодезии. Квадрокоптеры с надежной конструкцией и устойчивостью к ударным нагрузкам используют для аэрофотосъемки, анализа состояния посевов, построения карт и обследования труднодоступных территорий. Прочность корпуса особенно важна в условиях, где дрону приходится многократно взлетать, садиться на неровные поверхности и работать при переменчивой погоде и воздействии помех.
В ходе работы по концепции реверс-инжиниринга студенты создали цифровые 3D-модели известного квадрокоптера двумя способами: по имеющимся в открытых источниках фотографиям и на основе 3D-сканирования реального объекта. На основе полученных результатов они провели серию численных расчетов по определению напряженно-деформированного состояния спроектированной конструкции БПЛА. Чтобы проверить точность своей работы, они сравнили свои результаты с данными реальных испытаний — заказчик сбрасывал дроны с разной высоты. Расчеты совпали с результатами эксперимента.
— Образовательная программа, в рамках которой подготовлены бакалаврские работы ребят, предусматривает не просто обучение навыкам нажимать кнопки в специализированных программных комплексах, но и глубокое погружение в теоретический материал инженерного анализа. Этот факт является сильной стороной любой конкурсной заявки, поэтому нам регулярно удается выигрывать подобные конкурсы — наши молодые соисполнители имеют высокий уровень подготовки, — подчеркивает научный руководитель.
В результате Кирилл Карнаухов и Никита Чернов создали цифровую модель корпуса БПЛА, пригодную для производства. Также на ее основе студенты разработали алгоритм расчета для динамического анализа при ударных нагрузках, который позволяет учитывать и вносить изменения в конструкцию уже на этапе проектирования. И в конечном результате университет передал в индустрию двух потенциальных специалистов, готовых к сложной инженерной работе, отмечает Александр Козулин.
На промежуточном этапе работы было установлено, что разработанная студентами конструкция требует доработки: коэффициент запаса прочности при падении с высоты 3 метров оказался меньше требуемого — в районе единицы при требованиях в 3. Но сам алгоритм подготовки модели и расчетов, созданный в ходе проекта, признан рабочим и будет применяться для последующих итераций в совершенствовании конструкции. Проект также будет продолжаться, а наработанные результаты внедряться в учебный процесс факультета.
Сегодня все дипломные работы на кафедре выполняются по реальным задачам от промышленности. По словам Александра Козулина, это стало возможным, в том числе, благодаря работе Проектного парка ФТФ — пространства, где студенты уже с младших курсов включаются в практические проекты: от расчета простых конструкций до создания сложных робототехнических систем.
— Кирилл и Никита пришли в мой научный коллектив из Проектного парка ФТФ. Они уже знали, как устроены беспилотные системы, как производится развесовка компонентов, каковы основные требования к проектированию. Это и помогло им так уверенно включиться в работу над задачей, — поясняет Козулин. — И, конечно, участие в таких проектах дает ребятам не только интересный практический опыт, но и в будущем работу с достойной зарплатой.
Текст: Анастасия Хмезюк, ФЖ ТГУ