Innovative Frame Design and Vibration Study on Hexacopter UAVs. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_last_version.pdf Restricted to Repository staff only until 28 August 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

تواجه الأطر الحالية للطائرات المسيّرة (UAV) صعوبة في تحقيق التوازن بين خفة الوزن، والصلابة، وتخميد الاهتزازات، مما يحد من فعاليتها في المهام التي تتطلب دقة عالية. لسد هذه الفجوة، يدمج هذا البحث بين النمذجة الحاسوبية، والتحقق التجريبي، وطرق اتخاذ القرار متعددة المعايير (MCDM)، بالإضافة إلى منهجيات التصميم التوليدي، بهدف تحسين اختيار المواد والتكوينات الهيكلية بشكل منهجي. يقتصر نطاق التحسين في هذه الدراسة تحديدًا على جناح واحد من الطائرة السداسية (الذراع مع قاعدة المحرك) ونقطة اتصاله بالمحور المركزي. يتمثل سؤال البحث الرئيسي في كيفية مساهمة التصاميم الهيكلية المبتكرة، واختيار المواد المثلى، وتحليل الاهتزازات في تعزيز الاستقرار الهيكلي وأداء الاهتزاز في الطائرات المسيّرة. تشمل أهداف البحث تقييم السلوك الديناميكي للهيكل، وتطبيق أساليب اتخاذ القرار متعددة المعايير (TOPSIS, VIKOR, PSI) لتحديد المواد المثلى، والتحقق تجريبيًا من نتائج المحاكاة، وتحسين التصاميم الهيكلية لتحقيق سلامة أعلى. منهجيًا، تجمع الدراسة بين مخططات آشبي (Ashby charts) وتقنيات اتخاذ القرار متعددة المعايير. وبحسب هذا التحليل المنهجي، تم تحديد مادة البولي إيثيلين تيرفثالات المقوى بألياف الكربون المستمرة (Continuous Carbon Fiber PETG) كأفضل مادة نظرًا لصلابتها العالية في الانحناء، ومقاومتها الكبيرة للالتواء، وخفة وزنها. علاوة على ذلك، حسّنت منهجيات التصميم التوليدي بشكل ملحوظ من هندسة الأجنحة المختارة، مما أدى إلى تحسينات هيكلية شملت تقليل الوزن بنسبة تصل إلى 25% وتقليل التشوه بنسبة تصل إلى 94% مقارنةً بالتصاميم التقليدية. أكدت عمليات التحقق التجريبية دقة تنبؤات المحاكاة، خصوصًا فيما يتعلق بخصائص الاهتزاز والأداء الهيكلي. وتُظهر النتائج الرئيسية أن التصاميم المحسّنة تنقل ترددات الرنين بعيدًا عن نطاقات الإثارة التشغيلية، مما يقلل بشكل كبير من مشكلات الاهتزاز. أما المساهمة الأساسية لهذا البحث فتتمثل في تطوير إطار متكامل لاختيار المواد يجمع بين مخططات آشبي، وأساليب متقدمة لاتخاذ القرار متعددة المعايير، ومؤشر جديد لاختيار المواد مشتق خصيصًا للأنابيب نصف الدائرية الرفيعة الجدران والمستدقة التي تمثل مقاطع أجنحة الطائرات المسيّرة. بالإضافة إلى ذلك، تتمثل إحدى المساهمات الرئيسية في تحليل سلوك الاهتزاز في الهياكل المصممة توليديًا والمصنّعة بالإضافة (Additive Manufacturing)، مع تقديم أدلة تجريبية مؤكدة على أن هذه التصاميم المبتكرة تُحسّن بشكل كبير الأداء الهيكلي للطائرات المسيّرة.

English Abstract

Current unmanned aerial vehicle (UAV) frameworks often struggle to balance lightweight construction, stiffness, and vibration damping, limiting their efficacy in precision-dependent tasks. To bridge this gap, this study integrates computational modeling, experimental validation, and generative design methodologies to systematically optimize material selection and structural configurations. The optimization scope of this study is specifically limited to one hexacopter wing (arm plus motor mount) and its junction with the central hub. The core research question explores how innovative frame designs, optimized material selection, and vibration analysis can enhance UAV structural stability and vibration performance. The research objectives include evaluating the dynamic behavior of frame geometry, employing MCDM approaches (TOPSIS, VIKOR, PSI) to identify optimal materials, experimentally validating simulation outcomes, and refining structural designs to achieve superior integrity. Methodologically, the study combines Ashby charts and multi-criteria decision-making techniques. According to this systematic analysis, Continuous Carbon Fiber PETG identified as the optimal material due to its outstanding bending stiffness, torsional rigidity, and lightweight characteristics. Furthermore, generative design methodologies significantly improved the selected wing geometries, resulting in structural enhancements including weight reductions of up to 25% and deformation decreases of up to 94% compared to conventional designs. Experimental validations confirmed the accuracy of simulation predictions, particularly regarding vibration characteristics and structural performance. Key findings demonstrate that optimized designs effectively shift resonance frequencies beyond operational excitation ranges, substantially reducing vibration-related issues. The main contribution of this research is the development of an integrated material-selection framework combining Ashby charts, advanced multi-criteria decision-making methods, and a newly derived material index specifically for thin-walled, tapered semicircular tubes representative of UAV wing cross-sections. Moreover, this study examines vibration behavior in generatively designed, additively manufactured drone wing structures, providing experimentally validated evidence that these innovative designs significantly enhance UAV structural performance.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Salem, Bashmal
Committee Members:	Samir, Mekid and Sarvat, Ahmad
Depositing User:	ELYAS FANTAW (g202115890)
Date Deposited:	02 Sep 2025 08:37
Last Modified:	02 Sep 2025 08:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143687