Design and structural vibrational analysis of a window cleaning drone using finite element method
Balkan 15th International Conference On Applied Science, Skopje, Makedonya, 20 - 22 Mart 2026, ss.354-368, (Tam Metin Bildiri)
- Yayın Türü: Bildiri / Tam Metin Bildiri
- Basıldığı Şehir: Skopje
- Basıldığı Ülke: Makedonya
- Sayfa Sayıları: ss.354-368
- Erciyes Üniversitesi Adresli: Evet
Özet
Yüksek katlı binaların dış cephe temizliklerinde hâlen büyük ölçüde insan gücüne dayalı vinç sistemleri kullanılmaktadır. Bu durum hem yüksek operasyon maliyetlerine hem de iş sağlığı ve güvenliği açısından önemli risklere yol açmaktadır. Bu çalışmada, söz konusu riskleri azaltmak ve temizlik sürecini otonom hâle getirmek amacıyla, cam yüzeyleri algılayarak temizlik işlemini otomatik olarak gerçekleştirebilen bir drone tasarımı yapılmıştır. Tasarımı yapılan sistemin gövde ve motor yapılarının operasyonel yükler altındaki davranışı, Sonlu Elemanlar Yöntemi (Finite Element Method, FEM) kullanılarak incelenmiştir. Drone’un üç boyutlu modeli oluşturularak ANSYS Workbench ortamında analiz edilmiştir. Mesh yapısında global eleman boyutu 3,5 mm, motor bağlantı bölgelerinde ise 1 mm lokal eleman boyutu kullanılmış; ortalama Element Quality değeri 0,77, Skewness değeri ise 0,93 olarak elde edilmiştir. Malzeme olarak karbon fiber kompozit ve PLA tercih edilmiş, her bir motor merkezine 69,058 N itki kuvveti uygulanmıştır. Alt yüzeyler sabit sınır koşulu (Fixed Support) olarak modellenmiştir. Statik analiz sonuçları, maksimum deformasyonun 7,77 mm ile kol uçlarında, maksimum eşdeğer gerilmenin ise 164,29 MPa olduğunu göstermektedir. Bu değerler, kullanılan malzemenin akma sınırının altında kalarak yapısal bütünlüğün korunduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen cam temizleme drone sisteminin yapısal olarak güvenilir, yeterli rijitliğe sahip ve operasyonel kullanıma uygun olduğunu göstermektedir
High-rise building façade cleaning is still largely performed using human-operated crane systems. This situation leads to both high operational costs and significant occupational health and safety risks. In this study, a drone capable of detecting glass surfaces and autonomously performing cleaning operations was designed in order to reduce these risks and automate the cleaning process. The structural behavior of the designed system’s body and motor components under operational loads was investigated using the Finite Element Method (FEM). A three-dimensional model of the drone was created and analyzed in the ANSYS Workbench environment. In the mesh structure, a global element size of 3.5 mm and a local element size of 1 mm in the motor connection regions were employed. The average Element Quality and Skewness values were obtained as 0.77 and 0.93, respectively. Carbon fiber composite and PLA materials were preferred, and a thrust force of 69.058 N was applied to the center of each motor. The lower surfaces were modeled with fixed support boundary conditions. Static analysis results indicated that the maximum deformation occurred at the arm ends with a value of 7.77 mm, while the maximum equivalent stress reached 164.29 MPa. These values remained below the yield strength of the selected materials, demonstrating that the structural integrity of the system was preserved. The obtained results show that the developed glass-cleaning drone system is structurally reliable, possesses sufficient rigidity, and is suitable for operational use.