Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ balsa và vật liệu composite cho máy bay không người lái

CONG IIÒA XÃ HIỘI CHỦ NGHĨA VIDT NAM Déc lap — Tự do— Tlạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Việt Anh Dé tài luận văn: Nghiên cứu, chề t

Nguyễn Việt Anh

Nghiên cứn, chế tạo kết cấu tông

hợp từ gỗ Balsa và vật liệu

composite cho máy bay không người

lái

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ DONG LUC

TIA NOI, 06/2020

TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOT

LUAN VAN THAC Si

Nghiên cứu, chế tạo kết cấu tông hợp từ: gỗ

Balsa và vật liệu composite cho máy bay

không người lái

NGUYÊN VIỆT ANH Anh NVCBI80096/8sis.rst.edu.vn

Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Chuyên ngành Kỹ thuật Hàng Không

Giảng viên hướng dẫn: TS Định Tân Hưng,

Chữ ký của GVTID

Viện: Cơ khí Đông lực

TIA NỘI, 6/2020

CONG IIÒA XÃ HIỘI CHỦ NGHĨA VIDT NAM

Déc lap — Tự do— Tlạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN

THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Việt Anh

Dé tài luận văn: Nghiên cứu, chề tạo kết câu tông hợp từ gã Balsa va vat

liệu composite cho máy bay không người lái

Chuyên ngành: Kỳ thuật Cơ khí Động lực

Mã số HV: CB180096

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội dồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngảy

03/08/2020 với các nội đụng sau:

'Thêm phan so sảnh giữfa mỏ phỏng vá thực nghiệm

Sửa các lễi chế bản

Sửa lại danh mục tải Hệu tham khảo

Sửa theo các ý kiến phần biện

Ngày tháng tằm 2020 Giáo viên hưởng dẫn ‘Tae gid luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐÓNG

Kinh gũi: Viện Cơ khi dộng lực

THIẾU ĐĂNG KÝ HƯỚNG DẪN ĐẺ TÀI

1 Ho va tên người hướng dẫn chính: Đỉnh Tân Hưng Học vị Tiên Sĩ

2 Cơ quan: Viện Cơ khi Động lực

3 Họ và tên người hưởng dỗi

Dé tail: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

a) Tên để tải: Xehiên cứu, chế tạo kết cầu tông hợp từ gỗ Balsa và vat

composite cho may bay khéng người lái b) Mue tiéu chinh cia dé tai:

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của phân bỏ các gân tăng cứng bằng balsa lên

lớp vỏ của của kết câu dùng vật liệu composite

c} Nội dụng của để tải, các vẫn đề cần được giải quyết

-_ Tổng quan về lý thuyết vật liệu và kết cảu

- _ Xác dịnh mục đích nghiên cứu và tính cắp thiết của dễ tài

Lara chọn, xây dựng xuô bình tỉnh toán ống hình try có sự phân bó về số lượng gần lăng cửng bằng balsa khác nhau

~_ Tiên hành ol

ao mô hình để thực nghiệm vả xo ánh kết quả

Đô tài 2 Chuyên ngành:

Tài cảm ơn

Để hoàn thành được luận vẫn này, tôi xin chân thành cảm ơn thấy giao TS

Đình Tắn Hưng, các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hang không và Vũ trụ và đặc biệt

cam on mot sé ban sinh viên trên Viện Nghiễn cứu Công nghệ Không gian và dưới

nước đã giúp đở tôi rất nhiều trong quá trinh thực hiện Xim cắm on!

Tóm tắt nội dung luận văn

Các dạng máy bay không người lải dang ngày cảng dược ứng dụng rộng,

rãi, đặc biệt là các máy hay hoạt động ở trần bay cao và có thời gian hoạt động lâu Trong thời gian hiện tại, các UAV sử dụng vật liệu gỗ balsa và composite đã

có khả nhiều Tuy nhiên những nghiên cửu vẻ sự kết hợp của hai vật liệu này cho hàng không thì lại chưa có hoặc rất ít Nhận thấy ring gỗ balsa tuy cúng những lại rất để bị tác động từ môi trường, còn vật liệu cornposite lại có khối lượng khả nang néu như chế tạo với nhiều lớp vái hoặc khá năng chịu uôn và đám báo hình

đạng kém hem nêu không có khung định hình Do vậy nghiên cứu này tiếp cận

đến sự kết hợp giữa hơi loại vặt liệu trên nhằm ruục đích lận đụng những ưu điểm

trên và dưa ra những cơ sở đữ liệu tham chiếu chơ quá trình thiết kế UAV thông,

qua mô phông và thực nghiệm

TIỌC VIÊN

Ký và ghỉ rõ họ tên

2.3.4 Thông số lỗi Balsa - 28

3.2.1 Phương pháp chế tạo - - 33

3.2.3 Kiểm tra bề mặt khuôn và tạo lớn chẳng đỉnh - 34

3.2.4 _ Tiến hành hút chân không - - 35

ĐANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nhựa polyester

Hinh 1.3 Nhựa Vmylester

Hinh 1.3 Sợi thủy tỉnh woven (A), sợi thủy tỉnh đa hướng sợi ngắn ()

Hinh 1.4 Soi Cacbon dan dang Twill (A), Plain (B), Tow (C)

Hinh 1.5 Soi Kevlar

Hình 1.6 Xếp PVC với các a6 day khac nhau

Hint 1.7 Xép nhiét déo

Hint 1.13 Cac Ine co ban tác động lên máy bay

Hinh 1.14 Cac dang cau tric thing thường của máy bay [10]

Hinh 1.15 Câu trúc dang thanh giằng

Hinh 1.16 Kết cầu đạng manocodne

Hinh 1.17 Semi-menoeocque

Tlinh 1.18 Cac dang ứng suất chính [1 0]

Ilinh 1.19 UAV Scan Eagle- boeing,

TTinh 2.1 Quy trinh tiên hành mô phỏng,

Hinh 2.2 Mô phỏng đèng khi qua văn bướm dúng FEA

Hinh 2.3 Ứng dụng FEA đế mô phỏng kết cấu chỉ tiết càng máy bay

Llinh 2.4 R6i rac hoa mé hinh chan vit tau thiy

linh 2.5 Các dạng phân tử phố biển dùng để rời rạc hóa mô hình

Hinh 2.6 Các phản từ dạng bậc 2 của phần Lử có cầu trúc - - 23

Himhi 27 Đường đặc tỉnh ứng suất- biến đạng của vậi liệu eacbon/epoxy điển 28

Hình 2.8 Đường đặc tính ứng suât- biến dạng dọc trục Balsa (H2 balsa- gỗ balsa có khỏi lượng riêng cao và LD balsa-gỗ balsa só khối hượng riêng thấp) [16] 29 Hi ni 2.9 Đường đặc tính ứng suất- biến dang ngang Balsa (HD balsa- 26 balsa có khỏi lượng riêng cao vá L) balsa-gỗ balsa có khối lượng riêng thấp) [16] 29 Hình 2.10 Mẫu mô hình tiền hành mô phỏng với 6 gân Balsa (A), 12 gan (B) 31 Hình 2.11 Bản vẽ kĩ thuật toàn bộ mẫu mỏ hình —.-

Hình 2.13 Đán vẽ kĩ thuột các mẫu mô hình với số lượng gân tầng cứng khác

32 33 Tlinh 2.14 Nhap ms hinh da duge thiét ké vao méi trugmg tinh toán 34

Tlinh 2.15 Nhap théng sé vat ligu cha ABAQUS - - 35

Hình 2.16 Thiết lập bước tỉnh toán 35

Hinh 2.17 ‘lao hướng cho các thanh tăng cứng Balsa ¬-

Hình 2.18 Thiết lập tương tác giữa các phần co Hình 2.19 Liên kết chặt giờa lớp vỏ và thanh tầng củng Balsa 37

Hình 2.20 Tương tác giữa chốt và thành ông trong mê phỏng uốn 3 diểm 38

Hình 2.21 Điều kiên biển tại vị trí chốt di đông, e eeo.c 38

Hình 2.22 Giới hạn các chuyển vị theo phương, 2 và 3 tại vị trí hai dầu 39

Hình 2.23 Đặt diễu kiện biên nsceeirrrreroeeoe.3Đ Hình 2.24 Lực nén ở một dẫu của mỏ hình -.sc55oc cceeseeareeo đĐ Hint 2.25 Chia ludi ving vat lu balsa balsa 40 Hinh 2.36 Hoàn thiện chia lưới - - - - 41

Himh 2.37 Phân bố áp suất trên vỗ của các mô hình CB-4 (A), CE-6 (B), CR-

linh 2.36 Chuyển vị uốn một điểm phụ thuộc vào mô-rnen uốn 47 linh 2.37 Dỏ thị giữa ứng suất uồn một điểm và chuyển vị ngang 48

Hình 2.38 Chuyển vị uốn ba diém so với lực tác dụng của các mô hình và vật

Hinh 2.39 Phan bê ứng suất trên mẫu CB-4 (A), CB-8 (B) - 49

TTình 2.40 Phân bố đồng đều ứng suất khi bị xoắn của CB-12

Tĩnh 242 Tập trung ứng suất tại điểm giao nhau giữa vật liệu Halsa và

Hinh 2.43 Đặc tuyển ứng suất» chuyển vị xoắn của nhém va CB-12 30

Hinh 3.1 Quy trình thực hiện thực nghiệm từ kết quâ mô phông, - 32

Tinh 3.2 Sơ đỗ thực liện phương pháp hút chân không, - - 53

Hình 3.6 Lớp lõi Balsa được cắt bằng máy cắt laser - 56 Hình 3.7 Đồ gá sử đụng cho thực nghiém - - 47

Hình 3.8 Hoàn thiện mẫu thữ nghiệm - - ST

Hình 3.9 Thiết lập trạng thái hoại động cho thứ nghiệm nón 58 Hinh 3.10 Dat md hinh vào buồng thử nghiệm - - 58

Hinh 3.11 Lap dat hệ thông cho thử nghiệm xoắn pha - - 39

Hinh 3.13 Kết quả thực nghiệm quá trình nén đọc trục - - 60

Bằng 1.1 Thông số một số loại nhựa nên thông dụng, 3 Bang 1.2 Thông số một số loại sợi thủy tình |3J - - 4 Bang 1.3 Một số đạng sợi vãi caebem [4] - - 6

Bang 1.5 Tinh chat một số dạng sợi tụ nhiền [6] - - 7 Bằng 2.1 Thông số kí điuật đảng đề mô phông [13] 27

Đăng 3.1 Một số bước chuân bị làm khuôn - - 34 Bang 3.2 Kết quả đo của các mô hình thứ nghiệm trong 5 lần do và sai số trưng

CHUONG 1, TONG QUAN CHUNG 1.1 Vt ligu trong hang không

Các khí cụ bay được phát triển từ rất bắt đầu là những khinh khí cầu từ năm

1786 béi anh em nha Montgolfier Tiệp theo các tải liệu về khí động học được

hình thánh, ấn bản đâu tiền mang tinh khoa học do George Cayley viết vào năm

1853 khởi dau cho những sản phẫm máy bay sau này với hinh dáng khí động bao

gồm các phần thản, cánh, các tám ôn định và điều khiển Chiếc máy bay đầu liên

đo người lái điều khiển được thực hiện bởi anh em nha Wright 1903 đánh đấu

một bước ngoặt cho sự phát triển hàng không Vật liệu sử đụng chủ yến đó là

thép dạng liên kết thanh và được phú vải bạt kết hợp với khung gỗ Tiếp đến th

hệ sau là các mảy bay sử dung vật liệu thép dang tâm và sau dé la hop kim nhèm Hợp kim nhêm hâu như có mặt ở tắt các thế hệ máy bay thời kì đỏ cứng

như đến lận bây giờ, nhờ tính đễo và nhẹ Ngày nay vật liệu corposiLe dã trở nên ngây cảng thông dụng trong bàng không vì những tính năng tu việt sẽ được giỏi thiệu ở phân sau Trong công nghiệp hàng không tương lai sẽ xuất hiện thêm

nhiều loại vật liên mới cùng như thêm những phương pháp chế tạo khác Đặc biệt

là trong thời đại 4.0, khoa hoc may tính và đự liệu lớn phát triển sẽ tạo tiên dé

cho việc thiết kê kháng giới hân các loại máy bay với nhiều chức năng khác nhau

dé dap ung thị trường [1]

4 Vật liệu composite

Đây là dang vật liệu được cấu thành từ nhiều hơn hai thành phân trở lên nhằm tạo ra một vật liệu phức hợp mới với những đặc tính vẻ cơ tính tốt hơn

hoặc vượt qua được vật liệu eũ Có bai loại vật liệu cơ bản dùng trong ngành vật

Tiệu cornposite đó là vật liệu nên và vật hiệu cối Vật liệu nên có tác dụng có định các vị trí tương đối của vật liệu cốt trong khi những vật liệu cớt có tác dựng chịu sắc tải trạng chính trong hệ thống Trong phương phap ché tao, viée ding khuén 1nẫu được sử dựng nhiều nhất và cho phép định hình các sản phẩm chính xác như

mẫu thiết kể Trong phương pháp này các sợi được đặt vào trong lỏng khuôn thành tỉmg lép trước khi được truyền nhựa Ngoài ra cèn có rất nhiêu phương

pháp khác như hút chân không, phun, sử dụng máy tự dộng Tuy nhiên mỗi một

phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng cho việc tạo ra các

vật liêu có tính chất riêng biệt

Hinh 1.1 Nhya polyester

Đa số các vật liệu nên đều là vật liệu polymer vả được ứng dụng trong cả nghiên cứu lần thương mại Vật liệu nảy cỏ giá thành tương đối rẻ nhưng lại chịu

tác động từ môi trường Các loại vật liệu nảy thường tôn tại ở dạng lỏng sau đỏ

sẽ hóa rắn khi chịu tác động của chất đóng rắn Nhiệt độ đóng rắn ảnh hưởng

chặt chế đền tính chất vật lí và thời gian đóng rắn của vật liệu

Hình 1.2 Nhựa Vinylester

tò

Các loại nhựa được dùng đề làm nên cho các đạng sợi chủ yến như

polyester (hinh 1.1- ñbreglassshop.conz), vinyl estr (hinh 1.2 fiberglasssupplyđepot.com), epoxy, polyamide Ngoài ra còn có các loại nhựa nhiệt đêo nhưng do tính chất đặc thủ đó là hóa lông dưới tác động của nhiệt độ

nên không có nhiều ứng dung trong hang không

Bang 1.1 Thông số một số loại nhựa nén thông dụng

- Có hệ số đồ - Độ bên cao hơn Í_ og 46 nhat cao

biến- khối lượng - |- Dễ kéo đài và — | nhất

cao chồng nước tốt - | _ tied hop vii

hàng không

Nhược điểm - Yếu khi tiếp xúc | - Yêu khi tiếp xúc |- Ảnh hướng bởi

với tia UV với tia UV ánh sáng mặt trời

- Phân hủy theo

Thông qua số liêu trên cỏ thế nhận thấy rắng cpoxy có giá thánh luy cao

nhưng dạp ứng được ứng dụng cho với sợi cacbon là thích hợp với các img dung

hang không nhờ độ nhớt lớn và ít chịu tác động từ môi trường

Có rất nhiều dang sợi gia cuồng tổn tại ở đạng sợi hoặc hại và dược ứng

đụng vào từng mụo đích sử dụng khác nhau Trong nghiên cứu nảy, sự tập trưng

sẽ đồn vào vạt liệu dạng sợi vi những đặc tình vượi trội đặc biệt trong ngành

hang không với giá thành hợp H Đặc biệt với đạng sợi dài mảnh- loại vệt liệu

mây có thể kết hợp với vật liệu nẻn để tăng tỉnh hiệu quá cho việc truyền ứng suất giữa các thành phần Các loại sợi phố biên như là sợi Carbom, thủy tính, aramnid,

boron và sợi tự nhiên,

" Sợi thủy tỉnh

Bang 1.2 Thông số một số loại sợi thuy tính [3]

Soi Khổi họngriêng Miä-địm ˆ_ Đệ bên

(kg/mm) dan héi kéo

2 Loại A thường được tạo từ alkali va ding để làm kinh cửa sẽ

©_ Loại C sử dựng có các ứng dựng chịu nhiệt và kháng hóa chất

a_ Loại Ï có khả năng cách điện cao

a_ Loại 5 có modun đản hỏi cao nhất cững như độ bản lớn nhất, đồng nghĩa

với việo giá thành cao.

B)

A)

Hình 1.3 Sợi thủy tỉnh woven (A), sợi thủy tính đa hưởng sợi ngắn (B)

Khối lượng riêng của các loại sơi thủy tỉnh (hình 1.3) thường lớn so với soi

cacbon do vậy không được thường xuyên lựa chọn cho các UAV loại nhỏ Ứng

dụng chủ yếu của chúng lả trong ngành đóng tâu

* Soi cacbon

Soi cacbon duge phat minh Jan dau tién 6 Cleveland, Ohio, vao nam 1958

Các lợi thế vượt bậc của nỏ sớm duge dua vao các ứng dụng dân dụng Sợi

cacbon cỏ nguồn gốc tử polyaerylonitrile (PAN), pitch, cellulose hoặc từ các sợi

tiên thân khác như lignin and polyethene Cách sắp xếp sợi trong câu trúc có ảnh hướng rất lớn đến độ cứng của toản câu trúc trong đó có 3 dạng dệt sợi chính như

hình 1.4 Các mảng không gian nhỏ hoặc khe hở giữa các sợi có thể ân chửa

nguy co tiem tảng tới toản bộ câu trúc và là trung tâm phát triển của các điểm yeu

Hinh 1.4 Soi Cacbon dan dang Twill (A), Plain (B), Tow (C)

Mội vai dang sợi vacbon có thể có độ cứng đến xắp xĩ 350GPa khi đi qua

quả trình xứ li nhiệt lên tới 1650 độ C và có dường kinh vào khoảng 7-8 miero

met Độ khit cảng cao câu trúc sẽ cảng bên Các nét đặc trưng chủ yêu của sợi cacbơn là có hệ số dộ cứng trên khối lượng cao, kháng nhiệt tối, kháng hóa học tốt,

Bảng 1.3 Một số dang sợi vải cacbon [4]

mô-dun cao và được ứng đụng vào ong kháng khóng nhiều hơn Đặc biệt sợi

PAN còn có khối lượng riêng nhỏ hơn nên sẽ được sử dụng nhiều

" Sợi Kevlar Sợi Kevlar được phát minh bởi nhà hóa học DuPont vào năm 1965 Loại sợi

này được đánh giả là nhẹ hơn và mạnh hơn thép Trong quả trình sân xuất

Kevlar, hydrogen chloride bị triệt liêu từ tcrephfaloyl chỈeride và pame

phenylenediamine Cac soi sẽ được phân giải với axit sulphurio sau đỏ.

Hình 1.5 Soi Kevlar

Bang 1.4 Thông số một số dạng sợi Kevlar [5]

danhoi — (GPa)

(GPa) Kevlar 29 Độ cứng cao và độ ben cao 83 3.6

Kevlar49 Mô-đuncaophùhợpvớicáe 124 3.6-4.1

ung dung composite

Kevlar 149 Mô-đun cực cao 173 34

Tir bang 1.4 nhan thay khi so sảnh với sợi cacbon các sợi Kevlar thường, kém bên hơn nên sẽ không được sử dụng trong nghiên cứu này Ứng dụng chủ

yếu của sợi Kevlar dùng đẻ chế tạo áo chồng đạn và lốp xe đua

= Sợi tự nhiên

Bảng 1.5 Tỉnh chất một số dạng sợi tự nhiên [6]

Soi Khoi Độ bềnkéo Mô-đưn

lượng (MPa) dan hoi

(g/cm?)

Abaca 15 418-486 12-138 Alfa 0.89 350 22

thỏa mãn các nhu cầu khác nhau cho người sử dụng, Hầu hết các sợi tự nhiên đều

kém bẻn hơn sợi cacbon nhãn tạo (bảng 1.5) Đối nghịch lại các sợi nhân tạo la các sợi có nguồn góc từ tu nhiên từ đa động vật, thực vật và lừ quặng Các loại sợi nảy chửa những ưu thế vượt bac có thể dùng dễ thay thé soi tang hop trong nhiều trường hợp với chỉ phí nhỏ hơn và hiệu quả hơn Ngoài ra các sợi này đều rất thân thiện với môi đường với khả năng Lự phân hủy trong một thời gian ngắn 'Tuy nhién van con tổn tại một số hạn chế của các loại vật liệu này lả chịu anh

hưởng từ môi trường như độ âm, ánh sáng mặt trời và nhiệt độ cũng như tuổi thọ

của nguồn vật liệu như cây và đồng vậi

«+ Vật liệu lõi

Vật liệu lõi được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp composite cho phép kết hợp nhiễu loại vật liên khác nhau thành hệ vật liệu mới có tính nàng ưu việt

hơn Thông số của chúng rất đa dạng trong hàu hết các dạng ứng dụng như cách

âm, kháng nhiệt, khang nước Bằng cách sử dụng kết hợp với tam vỏ bên ngoài

thường là từ vật liệu composite, lớp lõi cho phép truyền tải ứng suất tốt hơn Hơn

thể nữa các vật liệu lõi cũng có khả năng uốn theo hình dạng của khuôn đề tạo ra

sản phẩm đáp ứng được nhu cầu sử dụng

“ Xếp PVC: Xóp Polyvinyl chloride (PVC) được tạo nên từ việc kết hợp

polyvinyl eopolymer với các chất nhựa hóa và ôn định cùng các thành

phân tạo liên kết và chất nở Tiếp theo đó hỗn hợp trải qua quá trình xử

lý nhiệt để kích thích phản ứng tạo liên kết trước khi được ngâm vào

nước nóng đề tăng khối lượng riêng Khối lượng riêng của xóp PVC cỏ thể đạt được từ 64 kg/m? toi 480 kg/m?

em

Hình 1.6 Xóp PVC với các độ dảy khác nhau

#- Xốp nhiệt dẻo [7]: đặc tỉnh nỏi bật nhất của loại vật liệu nảy đó lả nhẹ

với khỏi lượng riêng chỉ rơi vảo khoảng 32kg/m3 Tuy nhiên, nó có thẻ

bao gồm một vải bất lợi đó lã cỏ đặc tỉnh kĩ thuật kém vả có xảy ra phản

ứng với một số chất hóa học

Hình 1.7 Xốp nhiệt dẻo

“ Xếp PU: loại xóp nảy tồn tại ở nhiêu dạng như dạng ran vả lỏng Được

kết hợp từ hai thành phân hóa học Khôi lượng cỏ thể đa dạng phụ thuộc vảo tỉ lệ thành phân của các chất hóa học cỏ trong hôn hop dan dén khỏi lượng riêng từ 32 kg/mổ tới 320 kg/m Tuy nhiên, vỉ cỏ ứng suất cắt thấp, nên ít khi được sử dụng trong các ứng dụng kết câu

Hình 1.8 Xếp PƯ

Hình 1.9 Tỏ ong [S]: đây là dạng cấu trúc pho biến nhất trong hảng không

vũ trụ Đặc tính nỗi trội đó là có thể đạt đến độ bèn lớn trong khi khối lượng lại

nhỏ

= Balsa: Balsa là một loại

Hình 1.10 Vật liệu lõi dạng tổ ong

liệu lõi phổ biên được sử dụng nhiều trong

hang không, tàu thủy đỗ Balsa có thớ gỗ song song với nhau giống

liệu nhẹ và cứng Tuy nhiên do tính chất tự nhiên của gỗ, các tác nhân

môi trường sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đền độ bên của vật liệu Độ âm

và nhiệt độ chính là hai tác nhân có thể làm giảm độ bẻn của gỗ balsa làm biến đạng các thanh gỗ trong khi hoạt động Điều này thực sự ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của UAV về mặt khí động như không đảm bảo được biên dạng đúng như thiết kế vả cỏ thể dẫn đến tăng lực cản

hình dạng

Hình 1.11 Gỗ Balsa

© Kétluan

Từ phân tìm hiểu vật liêu ở trên ta có thê nhận thây tu điểm vả nhược điểm

của các dạng vật liệu Trong đó máy bay làm từ gỗ balsa (hinh 1.10) có nhược

điểm rõ rệt lả kém bên và ảnh hưởng cao từ yêu tổ môi trường như độ âm và dễ

bị cong vênh Tuổi thọ của các máy bay dạng nảy thường rất ngắn vả các thiết bị gắn lên máy bay cũng bị hạn chẻ Các thiết bị cỏ có chỗ gá chắc chắn, hình dạng

khi động cũng không được đảm bão vì máy bay dang nay thường được dan bang

các lớp balsa mỏng để tạo hình dáng khí động Riêng với hợp kim nhôm mặc dủ

có độ cứng lớn nhưng nhìn chung không thích hợp với UAV dang nho vi khối

lượng vần nặng và thừa bên nhiều Việc này khiến các máy bay phải chịu thêm

tải không có ích

ee Hình 1.12 Mô hình máy bay làm từ gỗ Balsa

Hinh 1.13 May bay bang vật liệu composite cacbon của viên vật lý ứng,

dụng và thiết bị khoa học

Mặt khác, các vật liêu composite cỏ nhiều tiềm năng hon, đặc biệt trong

ứng dụng với những máy bay nhỏ Đặc biệt loại vật liệu nảy có tính kháng hóa

chất vả chịu được ảnh hưởng từ môi trường Độ bên lớn vả độ bên mỏi cao cho

12

các thiết bị bay cỏ thẻ hoạt động trong thời gian lâu hơn, sẽ giảm các chỉ phi từ bảo dưỡng đến sửa chữa cũng như giảm tải rủi ro khi hoạt động Từ đó quyết

định lựa chọn vật liêu nên là epoxy, cết cacbon và vật liệu lõi là balsa để tiền hành thử nghiệm de ket hợp những ưu điểm vượt trội của hai loại vật liệu trên

1⁄2 Các dạng kết câu

Thông thường các lực cơ bản của mảy bay gồm có bồn thành phân chính

bao gồm lực nâng, trọng lực, lực đây của động cơ và lực cản (hình 1.13)

Lực dây

rb rong lyre

Hình 1.14 Các lực cơ bản tác động lên máy bay

Theo một cách truyền thông, một chiếc máy bay cảnh bằng thường được

cầu tạo tử 5 phản chính bao gồm: thân, cánh chính, đuôi đứng, đuôi ngang và các

tam điều khiển Các hệ thông phụ như bộ phân hạ cảnh có thể có hoặc không Chức năng chỉnh của kết cầu đổi với một chiếc máy bay đỏ lã [1] [9]:

« Duy trì đặc tính khí động cho máy bay

© Chiu tai

Thân máy bay là nơi để cung cap khéng gian cho các thiết bị và cũng là nơi kết nói các bộ phan khác cia may bay như cảnh, đuôi, vả hệ thống ha cánh Thông thường các kết câu của máy bay sẽ ở đạng vỏ đơn (monocoque) hoặc bản

đơn (semi-monocoque) có thêm các thanh gân tăng cứng đẻ chiu lực Hình dang

các máy bay dang này cỏ xu hướng là hình trụ giúp chíu áp lực đều theo hưởng

trong mặt phẳng cắt Để giảm khỏi lượng của máy bay, các câu trúc khung

thường được sử dụng trong hầu hết các trường hợp bao gồm các bộ phận chịu lực

13

như vỏ, khung, sườn, dầm, gân tăng cứng Các vật liệu được sử dụng cỏ thẻ đa

dang tir g6, sắt, nhôm và các vật liệu tiên tiền như composite Thông thường liên

kết giữa lớp vỏ và khung kết câu của máy bay sẽ được tạo kết nối bằng các

phương pháp hản, đủng đình tản, keo đán hoặc đình vít Thông thường, cầu trúc

phỏ biến của thân máy bay [10] đỏ là dang semi-monocoque (hình 1.14-4) ngoài

ra cỏ các kết câu dang monocoque (hinh 1.14-3), thanh giang (hinh 1.14-1 va

1142)

Hình 1.15 Các dạng câu trúc thông thường của mảy bay [10]

¢ Thanh thép [10] la mot trong các dạng kết cầu đầu tiên được sử dụng trong,

kỉ nguyên đầu của ngành hang khéng Những chiếc máy bay đầu tiên có

kết câu được tạo nên từ các khung thép kết nỏi với các khớp sau đỏ được

che phú bằng vải bạt Loại kết câu nảy nặng so với khả năng chịu đựng tải

trọng nên it được sử dụng ngảy nay vả chỉ còn được đùng với máy bay trực

thăng dần đân các kết câu nảy bị loại bỏ để thay thẻ dân bằng lớp vỏ sử

dụng vật liệu nhẹ hon ma dam bao độ bên hơn như nhôm Ngoài ra loại kết

cau nay có một bắt lợi là khó chẻ tạo nhưng kiểu dáng thân phức tạp, từ đó

sẽ tăng lực cản hình đạng trong qua trình máy bay vận hành

Hình 1 ]6 Cầu trúc dạng thanh giằng

® Dạng monocoque [10] là dang ket cau nay có độ bên phụ thuộc chủ yếu

vào lớp vỏ cũng là phan chiu hau hét tải trong chỉnh trong khi thành phần

14

Khủng là tâm: ciận phẫu lớn lã cö tÄb đụng định hình cho võ thân mấy bay:

Trong dạng kết câu nảy lớp vỏ khi chịu tác động xoắn hoặc uốn sẽ dé bị

biển đạng và dẫu dẫu phá hủy Trong khi các phân chịu lụ tập trung chính:

nắm trên cánh và thân thỉ những khu vực nảy lại khuyết thiêu kết cầu chịu lực vi thể rất khỏ đề duy trí khỏi lượng nhỏ mả vẫn đảm đảo được độ ben

cho phép [10]

Hình 1.17 Kết câu dang monocoque

Hình 1.17 Semi-monocoque [10] là loại kết cấu điển hình nhất dùng trong

hàng không Lợi thể lớn nhất của dạng kết câu này đó là sự tích hợp thêm các gân

tăng cứng đọc theo lớp vỏ Do đó khả năng chịu tồn của thân được cải thiện một

cách rõ rệt vượt qua những hạn chế của kết câu dang monocoque Các gân tăng

cứng nhẹ hơn các thảnh phân chịu lực dọc khác vả có thể gắn vảo vỏ thân thành

khối đồng nhất giúp tăng cường khả năng chịu lực Các loại thành phần chịu lực khác có thể được thêm vào trong kết câu theo chiêu dọc hoặc chiêu ngang Nó

phụ thuộc vào từng nhà sẵn xuất va từng loại nhiệm vụ của mỗi máy bay Thông

thường hợp kim nhôm là thành phân chỉnh đề xây dựng loại kết câu này kết hợp với rất nhiều đỉnh tán Trong nghiên cửu này, vật liêu composite sẽ được dùng đề chế tạo và thử nghiệm Khi chịu tải, do tính đồng nhất của kết câu các vật liệu, tải trong sẽ được truyền tải lên toàn bộ các phản của máy bay [10]

Hinh 1.18 Semi-monococque

Thêm nữa, các phân các của mảy bay như đuôi, cánh chính có chức năng

khác, nhưng vẫn đi theo một vai nguyên tắc thiết kế giỏng như thân máy bay

trong khi được thêm các thành phan chịu lực mới như dầm xương và dầm dọc hoặc các tâm ôn định Trong thiết kế cánh, hai thanh dầm chính sẽ chạy đọc theo

sai cảnh có tác dụng chịu lực chính trong khi lớp vỏ có nhiệm vụ đâm bảo hình

dạng và truyền ứng suất trong cánh

+ Cac dang tai trong Trong thiết kế, có rất nhiều nhiém vu can được thỏa mãn trong quá trình nảy, đặc biệt lả việc phân loại tải trọng trong khi đảm bảo được tiêu chí đạt được

khối lượng thấp nhất đồng thời vẫn giữ được tỉnh ồn định của kết cáu Ứng dung

phương pháp phần tử hữu hạn lả một trong những cách hữu hiệu giúp đỡ các nhà

thiết kế dự đoán những tỉnh huồng không ngờ được và đánh giá hệ số an toàn Cỏ

năm dạng ứng suất chính lả: (A) kéo, (B) nén, (C) xoắn, (D) cắt, (E) uốn

16

Hình 1.19 Các đang ứng suất chính [10]

Ứng suất kéo là dạng ứng suất chồng lại xu hướng bị kéo thành từng phan

Cac dạng ứng suất nảy xuât hiện ở máy bay tại những vị trí lực đây của máy bay

ngược hướng với lực cản do máy bay sinh ra

© Ứng suất nén là đang ứng suất kháng lại lực nén Loại ứng suất này suất hiện ở những vị trí đâu mũi hoặc trước động cơ khi điểm đặt lực đặt ở

trước vị trí động cơ

© Ứng suất xoắn sinh ra khi vật mẫu chịu xoắn Trong các trạng thái hoạt

động của máy bay như liêng, chuyên hưởng, động cơ cỏ xu hưởng thay đổi

độ lớn lực đây đề tạo mô-men trong khi các tắm điều khiển của máy cỏ xu

hướng làm ồn định lại máy bay

© Ung suat cat là trạng thải chồng lại sự trượt lẫn nhau của các lớp vât liêu đổi với các lớp liền kẻ nỏ Thông thường vật liệu thường giỏng nhau về

ứng suất kéo và nén Trong các phản của máy bay ở những vị trí xung yếu

như đỉnh tán, ốc vít lả nơi chịu lực cắt chính Việc sử dụng vật liệu

composite cũng có chịu tác động từ dạng ứng suất nảy, khi các lớp vật liêu

được kết nội với nhau bằng keo hoặc nhựa.

«_ Ứng suất uốn lả sự kết hợp của ủng suất cắt, kéo và nén Cac may bay phải chịu tải trọng của lực uốn thường xuyên trưng suốt quá trình hoạt động đo lực nâng, sinh ra trên các bé mat diéu khiển vá trọng lực

Trong thực lổ, các thành phần câu trúc của máy bay thường là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại ứng suất trên tạo thành những bài taán phúc tạa và khỏ có thể tính toán thủ công Chính vì thế hầu hết các kết qua vé mô phỏng và thực nghiêm ương nghiên cứu này chỉ sử dụng những điều kiện biên tỗi giãn giúp làm

giảm khỏi lượng tỉnh toán và ting độ tin cậy Ngoài ra đề thiết kế máy bay một

cách hiểu qui hon, mot sé chi tiêu phụ được thêm vào như:

«_ Giảm kích thước vá khôi lượng máy bay

«œ_ Giảm số lượng các thành phần lắp đặt

© Ung dụng Lỗi đa công nghệ tiêu liền vàn sản xual

I3 Xác định hương tiếp cận và mục đích nghiên cứu

« _ Tỉnh cấp thiết của để tài

Với xu hướng ngày cảng ủng dụng nhiều vật liệu composite vào sản xuất

may bay đặc biệt là máy bay không người lái loại nhỏ cho thấy tương lai phát

triển của leại vật liệu này Đây sẽ là đối thủ cạnh trạnh mạnh đối với các dạng vật liệu gốc kim loại Liện nay các máy bay khỏng người lái dang nhỏ có rất Ít những nghiên cứu về mặt kết câu vả vật liệu, chủ yếu lả kế thừa từ các nghiên

cửu tước do vậy thiểu tính ứng dụng Trong đó các máy bay không người kải

dang nhỏ lại có tiểm năng khai tháo rất lén trong cả lình vực đân sự và quân sự

Sự khảe biệt của UAV có kích thước nhỏ với các loại máy bay khác là nó cân

được tôi ưu vẻ rnặt khói lượng, bởi vì lực nâng trên cảnh được tạo ra rất giới hạn

vi han về vẻ mặt kích thước Hơn thé nữa, việc giám khối lượng cũng góp phân làm tăng thời gian bay và trần bay bởi vì lực từ hệ thông đây cần thiết để duy trí chế dé bay bằng có thẻ sẽ nhỏ hơn Vì thẻ kết cấu và vật liệu cần dược lựa chọn

kỳ lưỡng hơn Các vật liệu vừa phải đám bảo độ bên vừa đủ và cần có khối lượng nhỏ nhật

Vì thể việc sử đụng kết hợp vật liệu composite cho máy bay LAV loại nhỏ

là cảm tiết vị tính hợp lí và nhiều tính nồng ưu việt của vật hệu dang nay Sử dụng kết hợp giữa vật liệu compasite và gỗ balsa để tạo thành kết cấu phủ hợp

18

với các UAV dang này cần được nghiên cứu cụ thể hơn Hướng tiếp cận là dùng vật liệu composite làm thành phần chịu lực chính cho toàn kết cầu trong, khi gỗ balsa gitip định hình và chia sẻ một phần ứng suất cho kết cầu Cụ thể vật liệu cốt được lựa chon để nghiên cửu là vật liệu eacbon vì tỉ lê dộ cứng trên khối lượng, cao Nền polymer epoxy được ứng dụng nhiều trong hàng không cũng sẽ được sử

đụng đề nghiên cứu

« Mục dích nghiên cứu

Tử những diễn dã dược nhắn mạnh ở trên, nghiên cứu này dào sâu vào việc thiết kế và kiểm tra một vải thông sé co ban để khảo sát đặc tính cơ khí của các thành phan cacbon và Balsa Điều này có thể trợ giúp cho việc thiết kế UAV loại nhỏ sử dụng loại kết câu và vật liệu nảy với mục dịch cuỗi cúng là làm giám khối lượng tỗi đa của thành phân vật liệu cho máy bay không người lái đạng nhỏ

nhưng vấn dâm bão dược dộ cứng vững Trong nghiên cửu lớp vỗ được sử dụng

để chịu ứng suất là chỉnh và thêm các thành phân hỗ trợ chịu lục đọc là gỗ balsa Thanh phan gễ balsa sẽ được chia nhỏ thành nhiều phản và phân bá đều trên toàn

Bộ mặt trong lớp vỏ của kết cầu Đề đánh giá được ảnh hưởng của phân gỗ balsa tăng củng, thể tịch của lớp balsa sẽ được giữunguyên với giá thuyết lả khối lượng

riêng của gỗ la không đổi trong khi thực hiện nghiên cứu Từ đỏ có thẻ tạo ra các

phân bố balsa khác xhhøu bằng cách clúa nhỏ điện tích mặt cắt của các thánh balsa Việc nay có thể lâm ảnh hướng đến sự phân bồ ứng suất lên toàn bộ bễ mãi lép vỏ Câu trúc hình trụ sẽ được sử dụng để chẻ tạo mẫu thử cũng như mô phông số Lí do chủ yêu để chơn hình trụ cho vật mẫu xuất phát từ mội số máy bay UAV loại cho dêu như dụng, dạng hình trụ đề chế tạo thản như Scan Hagle của tập đoàn Boeing (hình 1.19) Kết cầu hình trụ là phố biển nhất trong chế tạo may bay vỉ có khả năng clúu áp suất dễu trên bê mặt Kích thước dược chọn ngẫu nhiên để tạp điều kiện thị

phương plúp hút chân không Vì để nghiên cứu tổng quan nhất về sự ảnh hưởng

lợi nhất cho việc chế tạo thực nghiệm sau nảy bằng,

của phân bó ứng suất khi thay dỗi phân bố của phân vật liéu balsa nên dường, kinh của vật mẫu đuợc chọn ngẫu nhiên Và vi tỉnh tuyến tỉnh của vật liệu, khi ta thay đối kích thước những giả định rằng khôi lượng riêng của các vật liệu là không di trong suốt các quá trình mồ phỏng lần thử nghiệm nên có thể nội suy tuyến tính từ kết quả của các mẫu mê hình thử nghiệm và mô phống

Hinh 1.20 UAV Scan Eagle- boeing

Xác định thông số vả phân tích vật liệu đã được lựa chon la

cacbon/epoxy vả balsa trước khi tiên hảnh mô phỏng Đánh giá các

vật liêu dựa theo giản đỏ ứng suat-bien dang đặc trưng cho từng vật

liệu

Sử dụng các phan mềm phụ trợ để tiên hành mô phỏng vả nghiên cứu

Việc nảy sẽ làm giảm khôi lượng tỉnh toản vả đưa ra một kết quả trực

quan nhất cho xử phân bó ứng suất trên toản kết cầu

Thực nghiệm đẻ xác nhận lại kết quả định tính của mô phỏng Trong quả trình chế tạo vật mâu, do khó khăn về mặt tìm mua vật liêu nên

thông số vật liêu được sử dụng dé mô phỏng va thi nghiệm sẽ cỏ sự

chênh lệnh tương đối lớn Do đó các kết quả kiểm nghiệm được sẽ chỉ

mang tính chất định tính đẻ đánh giá được tỉnh đúng đắn của phần mô

phỏng

Cung cấp kết quả và phân tích các kết quả đã đạt được thẻ giải thích

các hiện tượng một cách logic vả tin cây hơn

Đưa ra được nhưng số liệu mang tỉnh tham khảo để phục vụ cho thiết

kế Những số liệu có thể cấp dữ liêu cho kĩ sư thiết kế đề trích xuất và

tham khảo khi tiền hành thiết kế các máy bay UAV nhỏ phục vụ cho

nhiều mục đích

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH, TÍNH TOÁN THIẾT KE VA MO

PHỎNG

2.1 Quy trình thực hiện mô phỏng

Hình 2.1 Quy trình tiền hảnh mô phỏng

Quy trình trên thẻ hiện các bước tiến hành khảo sát, sau đỏ kết hợp với cơ

sở đữ liệu vẻ vật liệu đề tiến hành mô phỏng và so sánh kết quả Cuối cùng là

đưa ra thông số cho thực nghiệm.

2.2 Phương pháp phân tử hữu hạn

2.2.1 Khái niệm

Phương pháp phần tử hữu hạn lả phương pháp phổ biển nhất được ứng dụng rộng trong kĩ thuật vả thiết kế Ứng dụng điền hình của phương pháp này

đỏ lả giải quyết các bài toản truyền nhiệt, phân tích câu trúc hoặc các bải toản

liên quan đền tương tác lỏng rắn

Hình 2.2 Mô phỏng dòng khi qua van bướm ding FEA

Thông thường, các hiện tượng vat lý hoặc quá trinh tự nhiên sẽ được mô tả

thông qua một số lượng không lỗ các phương trình vị phân từng phản theo thời

gian (PDE- Partial differential equation) cai gan như lả không thẻ tính toán thủ

công Đẻ dễ đảng cho việc tính toán, các phương pháp số được phát triển trong

đó co phương pháp phân tử hữu hạn Một hệ xắp xỉ và hệ các PDE được thiết lập

dưa trên thuyết rời rạc hóa Đề tăng độ chính xác cho các tính toán, các định luật

bảo toàn sẽ được áp dụng như bảo toản khỏi lượng, năng lượng, động lượng,

Bước đầu tiên đỏ là xác định số các PDE vả miễn tỉnh toản Tiếp theo đó là rời rạc hóa mô hình tỉnh toán thành các phân nhỏ chúng ta gọi là phân tử Sau đó lả

áp dụng các điều kiện biên [11]

Trong đó: T- Hệ số chưa biết

A~ Ma trận hệ thông cấp n b- Vector ham phi tuyén của T

ki

Ma trận A thường liên quan đến ma trận độ cứng Sau khi rời rạc hỏa, việc kết hợp các phân tử lại một cách cỏ hệ thông cũng cần được chử ý đề đưa ra kết quả cuỗi củng,

Hình 2.3 Ung dung FEA đề mỏ phỏng kết câu chỉ tiết cảng may bay

G bude trên phương trình của các phần tử được đơn giản hỏa sao cho sát với các phương trình PDE nhất Một phương trình phức tạp sẽ được chia nhỏ

thánh tổng hợp của các phương trình đơn giản hơn vả có gắng sao cho sai số giữa

các lần giải phương trình đạt gân đến không Sau khi tính toán hoàn thành, các

kết quả nhỏ sẽ được kết hợp lại qua những phương pháp chuyên đổi hệ trục toa

độ thành một hệ tọa độ duy nhất

Hinh 2.5 Các dang phân tử phổ biến dùng để rời rạc hóa mô hình:

Trong các ứng dụng 3D, các phần tử tử điện và lăng trụ chữ nhật thường

được áp dựng nhiều nhất Tuy nhiên trong một vài kết câu phức tạp, một số phần

tử khác cũng được đủng để mô tâ mê hình một cách chỉnh xác nhật

=.-

Trong đó ø là ứng suất theo phương x đơn vị là Pa hoặc psi, s là biến dạng

và là một số không thứ nguyên theo x và E là mô địm đán hồi đơn vị Pa hoặc psi Các hệ cân bằng được áp đụng để giải phương trình tại các nút lực Tiếp theo đó,

ma trận độ cứng chính và hệ các phương trình sẽ được dựng nên nhờ các phương

trình nhô trước đó, Quá trình này yêu cầu ma tận chuyển để định hướng lại hệ quy chiêu của các ma trận thành phần thành một hệ tọa độ thống nhất Đây cũng,

là thời điểm các điều kiện biển được ap dung

2.31 Thương trình kết cấu 3D

Ma trận đô cứng nạ là một iensor hạng 4 với 81 phản tử trang đó có 2l

phân tử là độc lập tuyến tỉnh và được sử dụng để mô lả 60 phần tủ còn lại [11]

%| | Cre Cis Ge Cs Crs Cis| [Ys

®% Cụ; Cis Sis Cis Cis Ciel Ye

Trong đó

Ø - Ứng suất chính

Gặ- Tensor độ cứng,

ey - Bién đạng đọc trục và biển đạng cất

Đây lá phương trình đây đủ cho vật liệu đị hướng, Trong trường hợp là vật

điêu trực hướng với ba mi phẳng đối xứng chỉ cản 9 thành phần đễ mô tả loại vật liệu nảy Vật liệu đơn hướng giếng như sợi cacben có thể được coi như loại vật

liêu có một mặi phẳng đối xứng.

Phương trình Hooke [1.2] cho vat héu trực hướng được rút gọn thành vác

Do tinh chất vật liệu composite được coi là có tỉnh chất trực hưởng các

thông số kỹ thuật được sử đựng đẻ đễ đàng tính toán trong một số trường hợp

Ms bận liên bệ được dùng để mô tả quan hệ biển dạng-ứng suất của vật liệu

Trong hệ tọa độ tâm[#]=[CT" [12] Ma trận liên hệ được định nghĩa như sau

đôi với vật liệu trực hướng:

Gy Trong đéE,,GŒ„, v„ là mô-đun đản hồi, mô-đưn cắt và hệ số Poát-xông (không có thủ nguyên) Tuy nhiên, [S] là ma trận đổi xứng riển ta có:

tà

2.3.3 Thông số vải cacbon

"Theo nghiên cím phía trên, các hệ số kỹ thuật được sử dựng theo băng 21

trong đỏ Bu, Bị, Bạy là các mô-đưn đàn hôi chính theo các phương 1, 2 và 3 và các mỏ-đun cất là Gịị, G,„, Gs, hé 36 poat-xdng Vy, Vr2, Vas-

ông, số kĩ thuật dùng dé mé phéng [131

Fu Ex Hạ Gn Gs Gy tự Ủy 9à GPa GPa GPa GPa GPa GPa

đu rãi nhỏ tài ngược với các rrặt phẳng khác

38