Free Vibration Analysis Of The Main Body Part Of A Hexacopter Drone Using The Three-Dimensional Finite Element Method
Abstract
Unmanned aerial vehicles such as hexacopters are widely used in areas such as agriculture, cargo, mapping, military and photography. In this study, the effect of cavity geometries and different materials on the free vibration characteristics of the hexacopter fuselage main part is investigated parametrically by finite element method. Circle, square, rectangular and hexagonal cavity geometries and steel, PLA and carbon fibre materials were analysed separately. Three-dimensional tetrahedral elements with 10 nodes were used in the analyses and the displacement amplitudes and natural vibration frequencies of the first seven modes were obtained. The results show that cavity geometry and material properties significantly affect the vibration characteristics.
Keywords
Hexacopter Unmanned aerial vehicle Carbon fibre Free vibration analysis Finite element method
References
- 1. İbram, E. (2022). Üç boyutlu yazıcı ile üretilen farklı iç geometrilere sahip PLA esaslı plakların serbest titreşim analizi. Yüksek Lisans Tezi. Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa.
- 2. Yıldız, A. ve Güler Özgül, H. (2021). Üç boyutlu yazıcı ile üretilen PLA esaslı bir plağın serbest titreşim analizi: Sayısal simülasyon ve deneysel doğrulama. Uluslararası Mühendislik Bilimleri ve Multidisipliner Yaklaşımlar Kongresi, Türkiye, 111-116.
- 3. Yıldırım, S. (2020). Effect of boundary conditions on natural frequencies of orthotropic-cored composite sandwich beams. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35(1), 221-226.
- 4. Günay, O. ve Özbay, M. (2019). Uçak kanatlarının tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemiyle yapısal analizi. In 3rd International Symposium on Innovative Approaches in Scientific Studies – Engineering and Natural Sciences (ISAS2019-ENS), 4, 660-666. SETSCI Conference Proceedings, Ankara, Türkiye.
- 5. Aslan, T.A., Noori, A.R. ve Temel, B. (2019). Birinci mertebe kayma deformasyon teorisine dayalı FD düz eksenli kirişlerin serbest titreşim analizi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(4), 21-28.
- 6. Turan, M. ve Kahya, V. (2018). Fonksiyonel derecelendirilmiş kirişlerin serbest titreşim analizi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 8(2), 119-130.
- 7. Somayaji, A., Marakala, N., Somayaji, S. & Hebbale, A.M. (2022). Studies on modal analysis of aluminium-based carbon fibre reinforced optimized alloy wheel used in automotive sectors. Materials Today: Proceedings, 52, 274-277.
- 8. Mohsen, K.K., Salman, M.D. & Abttan, A.B. (2018). Spectrum diagnosis of drone structure oscillation and aerodynamic forces. Thi-Qar University Journal for Engineering Sciences, 9(2), 128-134.
- 9. Akshayraj, N., Dhanraj, J.A., Solomon, J.M., Salyan, S., Subramaniam, M., Mohan, M., Chetty, R.K. & Paul, R.C. (2022). Design and analysis of a tail sitter (VTOL) UAV composite wing. In Materials Today: Proceedings.
- 10. Ge, C., Dunno, K., Singh, M.A., Yuan, L. & Lu, L.-X. (2021). Development of a drone’s vibration, shock, and atmospheric profiles. Applied Sciences, 11(11), 5176.
- 11. Chen, K., Meng, W., Wang, J., Liu, K. & Lu, Z. (2023). An investigation on the structural vibrations of multi-rotor passenger drones. International Journal of Micro Air Vehicles, 15, 1-10.
- 12. Zhu, K., Huang, J. & Zhang, Y. (2020). Double-hoist dynamics and oscillation control of a quadcopter carrying a swinging and twisting load. Research Square.
- 13. Geronel, R.S., Dowell, E.H. & Bueno, D.D. (2023). Estimating the oscillation frequency of a payload mass on quadcopter in non-autonomous flight. Journal of Vibration and Control, 29(1-2), 236-250.
- 14. Salman, M.D., Mohsen, K.K. & Abttan, A.B. (2019). Pseudorandom noise impulsive response analysis and aerodynamic forces of unmanned aerial vehicle structure. Universal Journal of Mechanical Engineering, 7(1), 1-10.
- 15. Simsiriwong, J. & Sullivan, W.R. (2010). Vibration testing of a full–scale carbon composite ultralight unmanned aerial vehicle. In 51st AIAA Structures Dynamics and Materials Conference.
- 16. Şahan, M.F. (2016). Dynamic analysis of linear viscoelastic cross-ply laminated shallow spherical shells. Composite Structures, 149, 261-270.
- 17. Aslan, T.A., Noori, A.R. ve Temel, B. (2019). Çift yönlü fonksiyonel derecelenmiş malzemeli Timoshenko kirişlerinin serbest titreşim analizi. NÖHÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 8(3), 30-36.
- 18. Metin, M.A. (2024). Gripper mekanizmalı hexacopter yapısındaki döner kanat insansız hava aracının tasarımı ve incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi. İstanbul Gelişim Üniversitesi, İstanbul.
- 19. Metin, M.A. ve Şentürk, K. (2024). Hexacopter yapısındaki drone için karbon fiber malzeme kullanılarak tasarlanan ana gövde parçalarının statik analizi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 14(4), 1758-1781.
- 20. ANSYS, (2022). Inc release Ansys 2022 R2, Canonsburg, PA, 1444.
- 21. Zienkiewicz, O.C. & Taylor, R.L. (2005). The finite element method for solid and structural mechanics. Elsevier, 624.
- 22. Mechanical APDL Element Reference, (2013). Inc., 275 Technology drive, Canonsburg, PA 15317.
- 23. Ertürkmen, D. ve Noori, A.R. (2023). Farklı geometrik boşluklu eğri eksenli petek kirişlerin sonlu elemanlar yöntemi ile serbest titreşim analizi. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 13(4), 1019-1032.
- 24. Hashm, M., Noori, M., Noori, A.R. & Doori, S.G. (2024). Undamped forced vibration analysis of castellated steel beam with circular, square and pentagonal web openings. Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 11(22), 46-62.
- 25. Sarı, B., Lichaei, M.K. & Yıldırım, S. (2022). Free vibration analysis of tapered composite aircraft wing via the finite element method. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 37(3), 741-752.
- 26. Chan, T.C. & Medarametla, S.V. (2024). Analyzing positional accuracy and structural efficiency in additive manufacturing systems with moving elements. Results in Engineering, 102344.
Hexacopter Yapısındaki Bir Dron İçin Gövde Ana Parçasının Üç Boyutlu Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Serbest Titreşim Analizi
Abstract
Hexacopter gibi insansız hava araçları tarım, kargo, haritalama, askeri ve fotoğrafçılık gibi alanlarda yaygın kullanılmaktadır. Bu çalışmada, hexacopter gövde ana parçasındaki boşluk geometrilerinin ve farklı malzemelerin serbest titreşim özelliklerine etkisi, sonlu elemanlar yöntemiyle parametrik olarak incelenmiştir. Daire, kare, dikdörtgen ve altıgen boşluk geometrileri ile çelik, PLA ve karbon fiber malzemeler ayrı ayrı analiz edilmiştir. Analizlerde, 10 düğümlü, üç boyutlu tetrahedral elemanlar kullanılmış ve ilk yedi modun yer değiştirme genlikleri ile doğal titreşim frekansları elde edilmiştir. Sonuçlar, boşluk geometrisi ve malzeme özelliklerinin titreşim karakteristiklerini önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir.
Keywords
Hexacopter İnsansız Hava Aracı Karbon fiber Serbest Titreşim Analizi Sonlu Elemanlar Yöntemi
References
- 1. İbram, E. (2022). Üç boyutlu yazıcı ile üretilen farklı iç geometrilere sahip PLA esaslı plakların serbest titreşim analizi. Yüksek Lisans Tezi. Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa.
- 2. Yıldız, A. ve Güler Özgül, H. (2021). Üç boyutlu yazıcı ile üretilen PLA esaslı bir plağın serbest titreşim analizi: Sayısal simülasyon ve deneysel doğrulama. Uluslararası Mühendislik Bilimleri ve Multidisipliner Yaklaşımlar Kongresi, Türkiye, 111-116.
- 3. Yıldırım, S. (2020). Effect of boundary conditions on natural frequencies of orthotropic-cored composite sandwich beams. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35(1), 221-226.
- 4. Günay, O. ve Özbay, M. (2019). Uçak kanatlarının tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemiyle yapısal analizi. In 3rd International Symposium on Innovative Approaches in Scientific Studies – Engineering and Natural Sciences (ISAS2019-ENS), 4, 660-666. SETSCI Conference Proceedings, Ankara, Türkiye.
- 5. Aslan, T.A., Noori, A.R. ve Temel, B. (2019). Birinci mertebe kayma deformasyon teorisine dayalı FD düz eksenli kirişlerin serbest titreşim analizi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(4), 21-28.
- 6. Turan, M. ve Kahya, V. (2018). Fonksiyonel derecelendirilmiş kirişlerin serbest titreşim analizi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 8(2), 119-130.
- 7. Somayaji, A., Marakala, N., Somayaji, S. & Hebbale, A.M. (2022). Studies on modal analysis of aluminium-based carbon fibre reinforced optimized alloy wheel used in automotive sectors. Materials Today: Proceedings, 52, 274-277.
- 8. Mohsen, K.K., Salman, M.D. & Abttan, A.B. (2018). Spectrum diagnosis of drone structure oscillation and aerodynamic forces. Thi-Qar University Journal for Engineering Sciences, 9(2), 128-134.
- 9. Akshayraj, N., Dhanraj, J.A., Solomon, J.M., Salyan, S., Subramaniam, M., Mohan, M., Chetty, R.K. & Paul, R.C. (2022). Design and analysis of a tail sitter (VTOL) UAV composite wing. In Materials Today: Proceedings.
- 10. Ge, C., Dunno, K., Singh, M.A., Yuan, L. & Lu, L.-X. (2021). Development of a drone’s vibration, shock, and atmospheric profiles. Applied Sciences, 11(11), 5176.
- 11. Chen, K., Meng, W., Wang, J., Liu, K. & Lu, Z. (2023). An investigation on the structural vibrations of multi-rotor passenger drones. International Journal of Micro Air Vehicles, 15, 1-10.
- 12. Zhu, K., Huang, J. & Zhang, Y. (2020). Double-hoist dynamics and oscillation control of a quadcopter carrying a swinging and twisting load. Research Square.
- 13. Geronel, R.S., Dowell, E.H. & Bueno, D.D. (2023). Estimating the oscillation frequency of a payload mass on quadcopter in non-autonomous flight. Journal of Vibration and Control, 29(1-2), 236-250.
- 14. Salman, M.D., Mohsen, K.K. & Abttan, A.B. (2019). Pseudorandom noise impulsive response analysis and aerodynamic forces of unmanned aerial vehicle structure. Universal Journal of Mechanical Engineering, 7(1), 1-10.
- 15. Simsiriwong, J. & Sullivan, W.R. (2010). Vibration testing of a full–scale carbon composite ultralight unmanned aerial vehicle. In 51st AIAA Structures Dynamics and Materials Conference.
- 16. Şahan, M.F. (2016). Dynamic analysis of linear viscoelastic cross-ply laminated shallow spherical shells. Composite Structures, 149, 261-270.
- 17. Aslan, T.A., Noori, A.R. ve Temel, B. (2019). Çift yönlü fonksiyonel derecelenmiş malzemeli Timoshenko kirişlerinin serbest titreşim analizi. NÖHÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 8(3), 30-36.
- 18. Metin, M.A. (2024). Gripper mekanizmalı hexacopter yapısındaki döner kanat insansız hava aracının tasarımı ve incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi. İstanbul Gelişim Üniversitesi, İstanbul.
- 19. Metin, M.A. ve Şentürk, K. (2024). Hexacopter yapısındaki drone için karbon fiber malzeme kullanılarak tasarlanan ana gövde parçalarının statik analizi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 14(4), 1758-1781.
- 20. ANSYS, (2022). Inc release Ansys 2022 R2, Canonsburg, PA, 1444.
- 21. Zienkiewicz, O.C. & Taylor, R.L. (2005). The finite element method for solid and structural mechanics. Elsevier, 624.
- 22. Mechanical APDL Element Reference, (2013). Inc., 275 Technology drive, Canonsburg, PA 15317.
- 23. Ertürkmen, D. ve Noori, A.R. (2023). Farklı geometrik boşluklu eğri eksenli petek kirişlerin sonlu elemanlar yöntemi ile serbest titreşim analizi. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 13(4), 1019-1032.
- 24. Hashm, M., Noori, M., Noori, A.R. & Doori, S.G. (2024). Undamped forced vibration analysis of castellated steel beam with circular, square and pentagonal web openings. Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 11(22), 46-62.
- 25. Sarı, B., Lichaei, M.K. & Yıldırım, S. (2022). Free vibration analysis of tapered composite aircraft wing via the finite element method. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 37(3), 741-752.
- 26. Chan, T.C. & Medarametla, S.V. (2024). Analyzing positional accuracy and structural efficiency in additive manufacturing systems with moving elements. Results in Engineering, 102344.
Details
| Primary Language | Turkish |
|---|---|
| Subjects | Mechatronics Engineering, Machine Design and Machine Equipment, Material Design and Behaviors, Numerical Modelling and Mechanical Characterisation |
| Journal Section | Articles |
| Authors | |
| Publication Date | July 2, 2025 |
| Submission Date | February 10, 2025 |
| Acceptance Date | June 5, 2025 |
| Published in Issue | Year 2025 Volume: 40 Issue: 2 |
