ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘMÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG o0o BÁO CÁO TIỂU LUẬN CUỐI KỲ MÔN PHÂN TÍCH KẾT CẤU MÁY BAY Đề tài THIẾT KẾ HỘP CÁNH MÁY BAY.
Background – Lý do chọn đề tài
Để hiểu rõ hơn về cấu trúc cánh máy bay và vận dụng những kiến thức đã học từ môn Phân Tích Kết Cấu Máy Bay, em chọn đề tài thiết kế hộp cánh CASA NC212 làm đối tượng nghiên cứu để tìm hiểu sâu về cấu trúc hộp cánh, thực hiện tính toán và tự thiết kế hộp cánh, từ đó rút ra nhiều phương pháp tính toán và làm chủ các phần mềm vẽ đồ họa CAD sau khi hoàn thành môn học.
Objectives – Mục tiêu của báo cáo
• Thiết kế Hộp Cánh Casa NC212
• Mục tiêu mô phỏng thiết kế hộp cánh máy bay:
- Hiểu các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu.
- Có thể xác định chức năng cấu trúc.
- Lựa chọn bố cục phù hợp.
- Chọn vật liệu và quy trình phù hợp.
- Có thể định kích thước và phân tích cấu hình.
- Vẽ mô hình bằng các phần mềm vẽ đồ họa.
Missions – Phương pháp tiếp cận
Cơ sở lý thuyết - Literature Review
- Phần 2.1 Xác định phân bố tải trên cánh máy bay CASA NC212;
- Phần 2.2 Thiết kế và tính toán khối lượng của một cánh máy bay dựa theo các thông số của máy bay CASA NC212 và NACA 65 3 -218.
Xác định phân bố tải trên cánh máy bay
Phân bố lực nâng trên cánh
Hệ số lực nâng trên mỗi phần:
Với c planform : chord length of section (m) c l : lift coefficient on section in case lift coefficient is 1.0 y: position of section from central line (m)
Từ vị trí giữa cánh tại y = 3,503 m, c = 2,5 m ra tới mũi cánh thì độ lớn dây cung cánh nhỏ dần (hình thang vuông), độ lớn dây cung cánh tại y = 9,5m là c 1,25m
Ta có phương trình mối liên hệ giữa y và c là: c = ay + b
Từ phương trình c = ay + b và các giá trị a, b đã biết ta dễ dàng tính được c tại y tương ứng
Phân bố lực nâng trên mỗi phần:
Hình 2- 1 - 1 bên cánh máy bay CASA NC212
Phân bố lực cắt trên cánh
Phân bố Moment uốn
Thiết kế hộp cánh máy bay
Sizing Spar Webs ( Front Spar Web and Rear Spar Web)
Torque due to aerodyamic force
Torque due to shear force
Shear flow due to torque
Shear flow in webs due to shear force ( / )
Với V là vertical shear force
The net shear flow in the web
(-) for rear spar web thickness and (+) for front spar web thickness
Với fs là Shear strengh = 331 (Mpa)
Checking buckling due to shear.
Spar webs shall be sized by using shear criteria : all 1.0 s
all là allowable shear stress, là giá trị nhỏ nhất của Skin shear local buckling stress và allowable shear stress of the material.
Diện tích của Spar web:
Khối lượng của Spar web: mV S t w
Skin panel
2.2.2.1 Initial sizing upper skin and lower skin
Với M là Bending Moment đã tính ở phần 1
L: the local rib or frame spacing w: the width of the box perpendicular to the bending axis
FB: dependant upon the form of construction
Trong đó b là khoảng cách giữa các stringers bwlà chiều cao stringer twlà chiều rộng của stringer t là bề dày của skin panel a là số stringer
2.2.2.2 Checking upper skin and lower skin a) Upper skin
Using compression and shear interaction criteria
σcomp: applied compression stress τs: applied shear stress σcr: critical compression stress (property of material) τcr: critical shear stress (property of material)
Applied compression stress comp eff
Aeff: effective area (area of skin and stiffeners)
t tq: shear flow due to torsion moment (from sizing spar webs) te(initiale ): initial skin thickness (from initial sizing)
Checking local buckling of skin and crippling stringer due to compression Ứng suất nén đàn hồi trung bình khi local buckling vừa xảy ra:
fbe : average elastic compressive stress in panel at which local buckling first occurs
K : buckling stress coefficent fb: average compressive stress in panel at which local buckling first occurs η : plasticity reduction factor defined by fc: crippling stress c2: 0.2% compressive proof stress of strut material
Trong đó σ all : allowable tension stress of the material used (material property) σ comp : applied tension stress τ : applied shear stress
2.2.2.3 Actual sizing upper skin and lower skin
Từ bề dày của upper skin ban đầu ta điều chỉnh lại bề dày mỏng nhất có thể (>1mm) và thỏa được 2 yêu cầu về an toàn:
min( , , , , ) comp f be f c f cr skin cr
Da phía dưới (lower skin) dễ bị mỏi do chịu ứng suất kéo, nên việc kiểm tra khả năng chịu hư hại (damage tolerance) của da phía dưới là rất quan trọng Tuy nhiên, khi chưa có đầy đủ các thông số của máy bay để tham chiếu, việc xác định kích thước mà không dựa trên damage tolerance khiến bề dày của da phía dưới trở nên rất mỏng; do đó, chúng ta thường đặt bề dày của lower skin panel bằng với bề dày của upper skin panel.
Khối lượng của upper/ lower skin: mA eff y
2780 / upper skin lower skin kg m kg m
Ribs web
C with at sea level kg m
Lực nâng của cánh tà sau khi cất cánh
h Ước lượng diện tích của flange flange ys
ys : proof stress (tính chất của vật liệu)
Shear flow on the ribs web:
h Độ dày của rib web:
Crushing load tác dụng lên ribs:
. upper lower upper lower rib web
Checking buckling due to compression:
3, 62 rib web cr rib web f KE t w With K
3 8 rib web cr rib web S
Từ độ dày rib web ban đầu ta hiệu chỉnh lại độ dày trib websao cho nhỏ nhất có thể và thỏa điều kiện:
, _ min( , ) n cr ribweb shear cr ribweb shear strength
Diện tích của rib web:
A rib rib rib rib flange flange flange rib rib flange m V A t m A t
Khi đó ta có tổng khối lượng của 1 cánh: half wing front spar rear spar upper skin lower skin rib web flange m m m m m m
Quy trình tính toán thiết kế và kết quả - Design Process and Results
Trong chương này, dựa trên cơ sở lý thuyết đã trình bày ở chương trước, chúng ta tiến hành tính toán và xác định khối lượng của từng thành phần cấu trúc của cánh máy bay Việc xác định khối lượng cho mỗi thành phần cho phép tính khối lượng của hộp cánh và từ đó so sánh các trường hợp để rút ra nhận xét có giá trị cho thiết kế Các kích thước chi tiết của các phần như spar, upper skin, lower skin và ribs sẽ được tính toán để đảm bảo vẽ đúng hình dạng hộp cánh Các tham số máy bay đã được cho trước với độ chính xác cao sẽ được dùng để tính trực tiếp, đảm bảo kết quả tính toán khối lượng và hình dạng hộp cánh phản ánh đúng yêu cầu thiết kế.
Các thông số và dữ liệu ban đầu
Tổng khối lượng khi bay của máy bay 7450 kg
Khối lượng của một động cơ 329,98 kg
Khối lượng nhiên liệu (cho một cánh) 800 kg
Vận tốc bay bằng (Vcruise) 96,6 m/s
Tỉ lệ bình diện cánh (AR) 2 Độ lớn dây cung cánh tại gốc cánh 2,5 m Độ lớn dây cung cánh tại mũi cánh 1,25 m
Khối lượng riêng của không khí ở 8000ft () 0,967 kg/m 3
Dependant upon the form of construction (FB) 0,81
Bảng 3.1 - Thông số máy bay CASA NC212
Thông số hình học để thiết kế hộp cánh
Chiều cao hộp cánh h = 14,4% dây cung cánh
Chiều rộng hộp cánh w = 40% dây cung cánh
Thiết lập qui trình và tính toán bằng công cụ Excel
Theo sơ đồ 3-1, sau khi đã xác định y, c, lực cắt (Shear force) và moment uốn (Bending moment), ta bắt đầu tính Spar web từ trái sang phải theo từng hàng và lặp lại cho các hàng kế tiếp Theo cơ sở lý thuyết, công thức tính cho từng phần có sự liên hệ với nhau, do đó cần thực hiện theo trình tự để tính nhanh nhất và cho kết quả chính xác Ở mỗi trường hợp (L = a, Stringer = b tương ứng như trong bảng 3.3) ta tiến hành tất cả các bước như trong sơ đồ và áp dụng tương tự cho 20 trường hợp, thay đổi khoảng cách giữa các rib và số lượng stringer.
Spar web, Upper skin, Rib web
Bảng 3.2 - Vật liệu sử dụng và tính chất
Hình 3- 1- Sơ đồ trình tự tính trong Excel
Bảng 3.3 - Các trường hợp tính
Kết quả và đồ thị
Bending moment và Shear force
Hình 3- 2 - Biểu đồ phân bố moment uốn dọc theo sải cánh
Hình 3- 3 - Biểu đồ phân bố lực cắt dọc theo sải cánh
Trường hợp thay đổi số stringer
Trước tiên xét từng trường hợp giữ nguyên khoảng cách giữa các rib và thay đổi
Hình 3- 4 - Bảng kết quả khối lượng các thành phần khi thay đổi số stringer, L = 0,4m
Hình 3- 5 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần theo số stringer,
Hình 3- 6 - Bảng kết quả khối lượng các thành phần khi thay đổi số stringer, L = 0,37m
Hình 3- 7 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần theo số stringer,
Hình 3- 8 - Bảng kết quả khối lượng các thành phần khi thay đổi số stringer, L = 0,35m
Hình 3- 9 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần theo số stringer,
Hình 3- 10 - Bảng kết quả khối lượng các thành phần khi thay đổi số stringer, L = 0,32m
Hình 3- 11 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần theo số stringer,
Hình 3- 12 - Bảng kết quả khối lượng các thành phần khi thay đổi số stringer, L = 0,3m
Hình 3- 13 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần theo số stringer,
Trường hợp thay đổi khoảng cách giữa các rib
Xét các trường hợp không đổi số stringer, chỉ thay đổi L.
Hình 3- 14 - Bảng kết quả khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 9
Hình 3- 15 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 9
Hình 3- 16 - Bảng kết quả khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 7
Hình 3- 17 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 7
Hình 3- 18 - Bảng kết quả khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 6
Hình 3- 19 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 6
Hình 3- 20 - Bảng kết quả khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 5
Hình 3- 21 - Đồ thị biểu diễn sự thay khối lượng của các thành phần khi thay đổi khoảng cách giữa các rib, số stringer = 5
Sự thay đổi tổng khối lượng khi thay đổi số stringer và khoảng cách L
Hình 3- 22 - Bảng kết quả tổng khối lượng theo số stringer và khoảng cách giữa các rib
Hình 3- 23 - Đồ thị sự biến thiên của khối lượng phụ thuộc sự thay đổi khoảng cách giữa các rib
Hình 3- 24 - Đồ thị sự biến thiên của khối lượng phụ thuộc vào sự thay đổi số stringer
Nhận xét kết quả và đồ thị
- Moment uốn có giá trị lớn nhất tại vị trí đường tâm cánh BMMax= 92443
N Moment uốn tại mũi cánh bằng 0.
- Lực cắt lớn nhất tại đường tâm cánh hay vị trí gốc cánh SFMax= 24742 N. Lực cắt tại mũi cánh bằng 0.
Trong các trường hợp thay đổi số stringer đồng thời giữ nguyên khoảng cách giữa các rib, tăng số stringer dẫn đến giảm khối lượng tổng thể, chủ yếu do khối lượng của upper skin và lower skin giảm vì có nhiều thanh chịu lực hơn; đồng thời việc tăng số stringer khiến độ dày của upper skin và lower skin trở nên mỏng hơn Ngược lại, khối lượng của spar và rib web hầu như không thay đổi vì hai thành phần này không phụ thuộc vào số lượng stringer.
Vì giảm số lượng stringer, bề dày của upper skin và lower skin phải được tăng lên để cải thiện khả năng chịu lực của cấu kiện, từ đó khối lượng tổng thể sẽ tăng lên.
Trong trường hợp giữ nguyên số stringer và thay đổi khoảng cách giữa các ribs, khối lượng biến thiên theo các khoảng cách [0,30; 0,32] m, [0,32; 0,35] m và [0,35; 0,40] m Cụ thể, khoảng cách từ 0,30 m đến 0,32 m làm khối lượng tăng lên, tiếp đến khối lượng giảm trong khoảng 0,32–0,35 m và tăng trở lại từ 0,35–0,40 m Nguyên nhân là khi tăng khoảng cách giữa các ribs sẽ làm giảm số lượng ribs và làm tăng bề dày của spar, do vậy khối lượng của rib cũng giảm.
Xét tổng khối lượng của một bên cánh, khi tăng số stringer và giảm khoảng cách giữa các ribs (tăng số rib lên) thì khối lượng của upper skin, lower skin và spar giảm Với sự gia tăng số lượng stringer và rib, spar và skin không cần dày như trước để chịu lực Tuy nhiên, khi số lượng ribs càng tăng và khoảng cách giữa các ribs ngắn lại, bề dày của các thành phần sẽ tăng lên để chịu được các tải xoắn và tải uốn.
Thiết kế mô phỏng – Designers simulate
Dựa trên số liệu thu được ở chương 3, chúng tôi xây dựng hình vẽ 2D và 3D của hộp cánh máy bay bằng các phần mềm đồ họa nhằm hình dung rõ hơn hình dạng và cấu trúc của wing box Các mô hình trực quan này cho phép phân tích chi tiết các thành phần, kết cấu và sự phân bố lực, từ đó rút ra kết luận tổng thể về thiết kế hộp cánh và hiệu suất của cấu trúc wing box.
Hình vẽ 2D bằng AutoCad
Hình 4- 1 - Hình vẽ 2D của trường hợp L = 0,35
Qua hình vẽ thấy được khi giảm số lượng stringer và giữ nguyên khoảng cách giữa các rib thì độ dài stringer càng tăng.
Hình 4- 2 - Hình vẽ 2D của trường hợp số stringer = 5
Việc điều chỉnh khoảng cách giữa các rib ảnh hưởng trực tiếp đến bề dày và khả năng chịu lực của cấu kiện Khi khoảng cách giữa các rib được tăng lên và số lượng rib giảm, bề dày ở các khu vực chịu lực sẽ tăng, giúp cải thiện bề mặt chịu lực và phân bố tải trọng tốt hơn Do đó, thiết kế khoảng cách giữa các rib cần cân nhắc để tối ưu độ bền và hiệu suất chịu lực cho kết cấu.
Hình 4- 4 - Bề dày rear spar và upper skin của trường hợp L = 0,3m, số stringer = 5
Hình vẽ 3D
Hình vẽ 3D bằng AutoCad
Hình 4- 5 - Hình vẽ 3D trường hợp L = 0,35m, so sánh độ dài của stringer khi số stringer giảm dần
Hình 4- 6 – Hình vẽ 3D 2 trường hợp L = 0,3m và L = 0,35m với số stringer = 5
Hình 4- 8 - Tổng quan các hình 3D
Vẽ 3D bằng Catia V5
Hình 4- 9 - Hình vẽ 3D khung cánh máy bay chưa có upper skin và lower skin, số stringer = 5, L = 0,4m
Hình 4- 10 - Hình vẽ 3D hộp cánh máy bay, mặt cắt tại gốc cánh c = 2,5m, số stringer = 5, L = 0,4m
Hình 4- 11 - Hình vẽ 3D hộp cánh máy bay, mặt cắt tại gốc cánh c = 2,5m, số stringer = 5, L = 0,4m, bw = 0,10987m, w = 1m
Hình 4- 12 - Hình vẽ 3D hộp cánh máy bay, mặt cắt tại mũi cánh, c = 1,25m, số stringer = 7, L = 0,4m
Hình 4- 13 - Hình vẽ 3D khung cánh máy bay chưa có upper skin và lower skin, số stringer = 7, L = 0,4m
Hình 4- 14 - Hình vẽ 3D hộp cánh máy bay, mặt cắt tại gốc cánh, c = 2,5m, số stringer = 7, L = 0,4m
[1] Denis Howe, “Aircraft Loading and Structural Layout,” Professional Engineering Publishing Limited, London and Bury St Edmunds, UK.
[2] “ Học AutoCad cơ bản,” 5 tháng 4, 2019 [online]
5 https://congnghe360vn.com/hoc-autocad-1-gio.html
[3] “Hướng dẫn sử dụng phần mềm Catia V5,” March 31, 2017 [online] https://caulacbocatia.blogspot.com/2017/03/huong-dan-su-dung-phan-mem- catia-v5.html.
[4] John Anderson, “Fundamentals of Aerodynamics,” sixth edition.
[5] Michael Chun-Yung Niu, “AIRFRAME STRUCTURAL DESIGN”
Bảng số liệu tính toán thiết kế bằng công cụ Excel (đại diện 2 trường hợp)
1.Các bảng số liệu tính toán bằng excel cho trường hợp L = 0,3 và số stringer = 5
2 Các bảng số liệu tính toán bằng excel cho trường hợp L = 0,3 và số stringer =