Luận văn thạc sĩ nghiên cứu Đặc tính khí Động của máy bay không người lái khi có dao Động nhỏ

Nội dung của dễ tái, các vẫn dễ cần giải quyết ø- Sư cần tuốt và xuhướng thiết kế bộ thí nghiệm cho máy bay true Being + Tinh toán lý thuyết lực tăng trên cảnh của mô hình máy bay trực t

TRUONG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tỉnh toán thiết kế bộ thí nghiệm cho máy

bay trực thăng không người lái

NGUYEN HONG QUAN quan-nh] 53030@sis.hust.edu.vn

CÔNG HÒA XÃ HỘI CHU NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập— Tự do— Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ho va lên Lắc giã luận văn: Nguyễn Hồng Quân

Để tài luận văn: Tính toán thiết kế bộ thí nghiệm cho máy bay trực thăng

không người lái

Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không,

Mã số HY: 20202822M

‘Tac giả, Người hướng dân khoa học và Hội đồng cham luận văn xác nhận

tác giả đã sửa chữa, bỗ sung luận văn theo biên bãn hợp Hội đồng ngày 30 tháng:

12 năm 2021 với các nội dung sau:

1) Bỏ sung thêm đặc tính của một bộ thí nghiệm: Các bộ phận dễ thiết kế nén

bộ thí nghiệm ở mục 3.1 chương 3 Các bản vẽ để xây dụng đề và thân bộ

thí nghiệm ở phụ lục

2) Trinh bày rõ hơn về tính toán lý thuyết lực nâng trên cánh, đưa ra vi dụ cụ

thể cho tường hợp tại tốc độ quay 650 vàng/phút, góc tấn 9 độ tai mục 3.3

chương 3

_ sửa

3) Về trình hình thứo trình bảy: Bỏ chương 5 và thay bằng mục kết luậi

các hình ảnh sai, lỗi chính tả Dánh đâu tải liệu tham khảo chỉ tiết vào trong, luận văn

Ngày 19 tháng O1 năm 2022

CHỦ TỊCH HỘI ĐÓNG

ĐÉ TÀI LUẬN VĂN

1 Họ và tên học viên: Nguyễn Hồng Quân SHHV: 20202822M

2 Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Lớp: 20BKTIE

3 Người hướng din 1: PGS.TS Hoàng Thi Kim Dung, Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Há Nội

4, Huong dan 2: PGS.18 Nguyễn Phú Khánh, Khoa Kỹ thuật ö tô và Năng lượng, Trường Đại học Phnikaa

5 Tên để tài (tiếng Việt): Tính toán thiết kế bộ thí nghiệm cho máy bay trực thăng +hông người lái

6 Tén dé tai (tiéng Anh) Calculation and Design of Experimental Set for

Unmanned Helicopters

7 Cơ sở khoa học vẻ thục tién cua dé tai:

Tiện nay, máy bay trực thăng khôi

và ứng đụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thể giới Song song với đó là yêu cầu về

người lái (TƯAV) đang được nghiên cứu

van để lính loán và thục nghiệm để đảm bảo lỗi ưu hóa khả nắng làm việc của thiết

bí Trong đỏ, việc nghiên cứu và chế tạo bộ thí nghiệm của máy bay trực thăng là một vẫn đề quan trọng đảm báo tính au toàn và chính xác trong quá Irinh nghiên

cứu Đã có rất bộ đồ gá được đưa vào sử dụng trong quả trình thực nghiệm với may bay trục thẳng Tuy nhiên, việc tỉnh loán đang còn hạn chế, điều này gây ra

1nất tài chính và con người Nhận thấy tâm quan wong của ván dễ,

cho may bay trực thăng không người lái Để tải này dóng góp vào quy trình nghiên cứu máy bay trực thồng đã và dang dược thực hiện, dỗng thời dựa ra cơ số thực tiễn dựa vao chế tạo sản phẩm phục vụ các bài nghiên cửu chế tạo sau nảy

9 Nội dung của dễ tái, các vẫn dễ cần giải quyết

ø- Sư cần tuốt và xuhướng thiết kế bộ thí nghiệm cho máy bay true Being

+ Tinh toán lý thuyết lực tăng trên cảnh của mô hình máy bay trực thẳng,

«_ Mô phỏng khi động tìm ra lực khí động mà cánh máy trực thăng tạo ra

«_ Mô phỏng kiểm bên kết cầu toàn mồ hình

10 Dự kiến kế hoạch thực hiện

Thang thir 1: Hoàn thành tìm hiểu sự cân thiết và xu hướng thiết kế bộ thí nghiệm cho máy bay trục thăng,

‘Thang thử 2: Hoàn thành xây dựng mô hình, tính toán lý thuyết lực nàng, trên cánh cửa mnô hình máy bay trực thăng

Tháng thứ 3: Hoàn thánh mô phỏng khi dộng tìm ra lực khí động mẻ cảnh may truc thing tao ra, đánh giá lực

Thang thứ 4 & 5: Hoan thành mô phỏng kiểm bên kết cầu toàn mô hình, sơ sánh với thực nghiệm, đưa ra những đề xuất và cãi tiến

Tháng thứ 6: Hoàn thành báo cáo

Hà Nội, ngày 23 tháng Ï Ï nằm 2020

Người hướng dẫn

PGS TS Hoàng Thị Kim Dung

LOI CAM ON

Trong quá trinh học tập, nghiên cửu và hoàn thiện luận văn, tỏi dã may man nhận được sự dộng viên, khuyên khích và tạo diễu kiện giúp đở nhiệt tình của các thầy cô, anh chị em, đồng, nghiệp vả gia đình

Tôầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS5 TS Hoàng Thị Kim Dung và

PGS TS Nguyén Phú Khánh là người hướng dẫn trực tiếp Thấy cô đã có những

định hướng đứng đăn và giải đáp các thắc mắc trong suốt quá trình học tập và

nghiên cứu Cảm ơn cáo thành viên trong nhóm CAE va tap thé lop PFIEV Keo

đã cùng tôi trao đổi đề hoàn thiện thêm kiên thức Cảm on Ban giám hiệu trường Tại học Bách Khoa I1à Nội, phòng đào tạo sau đại học, Viện Cơ khi Dộng lực và

Bộ Môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thiện luận văn này

'Têi cũng xin cém ơn công ty Akselos dã tạo diễu kiện cho phép tôi vừa hee vita lam Cam on các anh chi cm dông nghiệp trong công ty đã cho tôi nhiều kiến thức bễ ¡ch đặc biệt là những kiến thức vẻ phương pháp phân tứ hữu hạn, giúp tôi có những, nhận dịnh sâu sắc hơn về dễ tải nghiên cứu nay

Cuếi củng, tôi xin gửi lời căm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân vả bạn

bè đã động viên, khích lệ tôi đề hoàn thiện luận văn này

HỌC VIÊN

ký và ghỉ rõ họ lên

Nguyễn Hồng Quân

TOM TAT NOI DUNG LUAN VAN May bay true thing không người lái là một thiết bị bay không con xa lạ trong cuộc sống hiện nay, nó cho phép con người tiếp cận những vùng dat ma con người không tiếp cận được, giải quyết các công việc nặng nhọc, độc hại Đề có

thể tối ưu hỏa hoạt động của những khí cụ bay nảy, các thi nghiệm, nghiên cửu

và cá thực nghiệm được diễn ra ngày một nhiều Tuy nhiên, việc sứ dụng các bộ thi nghiệm không dám báo có thể dẫn dến các kết quả sai số lớn, làm mắt di tính chính xác của nghiên cửu Các dụng cụ thí nghiệm kém chất có thể gây ra những tổn thất đáng tiếc vẻ mặt kinh tế và ánh hướng đến bản thân người thị nghiệm Vì vậy, thiết kế và nghiên cứu bộ thí nghiệm lä một khâu vô củng quan trọng trong tiến trình nghiên cửu cho đối tượng khí cụ bay nói chưng và đối tượng máy bay trực thăng không người lái nói riêng Bài nghiên cửu sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp với mô phỏng kiểm bên đã đưa ra được mau thiét pho bop cho mô hình, đưa ra được ảnh hưởng đặc tính khí động mà bộ thí nghiệm gây ra trên mô hình, đưa ra được đãi hoạt động phủ hợp cho mô hình khảo sát để đảm

‘bdo tinh kha thi va tính khả phi cho mô hình đang nghiên cứu Đây lả những tiền

đẻ tính toán đâu tiên phục vụ cho quá trình nghiên củu và chẻ tạo mê hình máy

tây trực thăng không người lãi phục vụ cho nông nghiệp của nhóm CAE tại Bộ

môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ Trụ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VÈ BỘ THÍ NGHIỆM MÁY BAY TRỰC

THĂNG KHÔNG NGƯỜI LÁ

1.1 Mấy bay trục thăng không người lãi - 6

1.11 Dinh nghia may bay tye thing khéng neudi lai - 6

Phụ tải riêng trên điện tích quét - - 13

1.29 — lệsố điền đây, keo T4

1.310 Tinh toản lực nông trên cảnh Xe T4 1.3 Xu hướng thiết kế bộ thí nghiệm l§

1.31 Bê thi nghiệm một trục không di kèm thân LŠ 1.3.2 Bộ thí nghiệm một trục đi kèm thân - 16

HÌNH

3.1 Các bệ phận của bộ thú nghiệm

311 Động cơ

3.12 Thân máy bay

3.1.3 Trục quay, đĩa quay và bộ cùm

314 Đo lực nâng máy bay trực thăng

3.15 Dotốc độ của mamrotor

3.16 _ Bộ điều khiển servo điều chỉnh góc đặt cánh

3.1.7 Chơng chóng mang của mỏ hình

3.18 Khung bảo vệ và bộ gả

3.2 Thiếtkế mê hình mô phỏng

3.3 Tinhtoán lý thuyết lực nâng,

Mô hình hình học Khảo sát lưới

343 Cài đặt các điều kiện biên cho mô hình

35 _ Kết quả và đánh giá

3.51 Kết quả khảo gátlưới

3.5.2 Kết quả khi động trên mô hình chí hai cảnh vả toàn thân CHƯƠNG 4 KIÊM TRA DẶC TÍNH BỀN CỦA MÔ HỈNH

41 — Thông số vật lệu à cover

Hiện tượng đân hồi khí động

Mô hình mô phông lưu chất

Mô hình mô phông động học kết câu

'Tổng quan về các bài toán F81 trong ANSYS CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ KIỂM TRA DẠC TÍNH KIM DONG CUA MÔ

DANH MỤC V'

Unmanned Aerial Vehicle Khí cụ bay không người lái

MBTT Mây bay trực thăng,

ĐHKĐ Đôn hỗi khí động,

DANH MỤC HÌNH VẼ,

Hình 1.2 MBTT không người lái phục vụ trong mồng nghiệp 7 Hình 1.3 Các bộ phận chính của MBTT co —

Hình 1.12 Hệ số lực nâng, theo góc đặt cảnh coooososscc

Tlinh 1.13 Iiệ số mô men theo góc đặt cánh

Hinh 2.5 So d6 thiét lap mé phéng bài toán FST mét chiéu - 25

Hình 3.6 Sơ đỗ thạch do lực năng và mắn hình tiển thị 30

Hình 37 Sơ y lond coll với bộ chuyển đối và adruino 30 Hình 3.8 Một số hình ảnh thực tế của bộ do lực nằng

Hình 3.9 Bộ điều khiến tốc độ ~

Hình 3.10 Bé cam biển module H206 do tốc độ › động sơ

Hình 3.11 Cñm biến hỗng ngoại H206 vả tắm nhựa gắn vào nô hình 32

Hình 3.12 Điều khiển góc lệch cánh bằng servo thông qua mạch ardưino 33

Hình 3.13 Cánh CCM của mô hình neo 33

tà

Hinh 3.14 Bộ khung bảo vệ 34

Hình 3.15 Mô bình máy bay trực thăng và ghân bổ vật liệu 34

Hình 3.19 Mặt cắt lưới và trường phân bố vận lốc và áp suất 41

Hình 3.20 Lục nâng trên mô hình chỉ có hai cánh - - 43 Hình 3.1 Lục nâng trên mô hình toàn bộ thân - - 44

Hình 3.22 Trường phân bố vận lốu và áp suất trên cánh - - 45

Hình 3.23 Đường dòng qua MBTT, re neeerer saseee “5

Hình 3.25 Các véc tơ vận tỐc cành re 46 Hình 4.1 Lưởi trên cnc eeecseeccceesseesiiestnseeestiveteseetesiee „48

Hình 4.4 Vị trí sử dụng Remote Displacement —

Hình 4.5 VỊ trí sử dụng Displaceinenf -cee

linh 4.6 VỊ trí cia Remote Force thi

Hình 4.7 8o sánh phân yp suấi mat trên cảnh (a.Khi ng, BKB cau)

Tinh 4.10 Chuyén vi ctia toan mé hinh MBTT

Uinh 4.11 Chuyên vị trên cánh

THỉnh 41.13 Vùng tập trung ứng suất lớn nhất của gỗ se 34

Hình 4.1⁄4 Vùng tập trưng ứng suất lớn nhất của nhôm 55

THỉnh 4.15 Vùng tập trung ứng suất lớn nhất của thép - 56

Hình 4.16 Vùng tập trung ứng suất lớn nhật của composite 58

DANH MUC BANG BIEU

Bảng 2.1 Câu tạo chính của mỏ bình

Bảng 3.2 Bông kết quả lực nâng (heo lính toán any thuy

Bảng 3.3 Chiểu dai lớp lưới dẫu tiên với các giả trị y+ Seeeeene.,, 38

Bằng 3.5 Sai số giữa mô phỏng và tỉnh toán lý thuyết 43

Bang 3.6 Bang chênh lêch lực nâng giữa mô hình có thân và không có thân 44 Bang 4.1 Thông số của các vật liệu đẳng hưởng 7

DANH MỤC ĐÓ THỊ

Đỏ thị 4.1 Chuyển vị lớn nhất trên cụm cánh

Đổ thi 4.2 Ung s

Đỏ thị 4,3 Ứng suất lớn nhất cho ving

Đồ thị 4.4 Ứng suất lớn nhất cho vùng val

Để thị 4,5 Ứng suất lớn nhất cho vùng vật liệu composite

Đỏ thị 4.6 Ứng suất lớn nhất cho vùng vật liệu compositc

CHƯƠNG 1 GIỚI TIIỆU VỀ BỘ THÍ NGHIỆM MAY BAY TREC

THĂNG KHÔNG NGƯỜI LÁI

1-1 Máy bay trực thăng không người lái

1.11 Dịnh nghĩa máy bay trực thăng không người lái

Phương tiện bay không người lái hay máy bay không người lái, viết tắt tiếng Anh a UAV (Unmanned Aerial Veincle) 1a tén goi chi chung cho cac loai may bay mà không có người lái ở buồng lái UAV có thể được điều khiển từ xa (bởi

một phi công ngồi tại một trạm diéu khiến trên mat dat) hoặc cũng có thế tự bay

theo các lịch trình đã được lập trinh sẵn, hoặc theo sự điều khiển của các hệ thông máy tính phúc tạp Dòng máy bay nay đem lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại hình máy bay truyền thông như

- Khã năng điều khiển từ xe làm giảm thiểu những thiệt hại về ngiười và của 1IỂU v6 tai nan xAy Ta,

- Kích thước đổi với dòng máy bay nảy tương đối nhỏ vì vậy không yêu cầu đường băng cắt bạ cánh lớn, có thể được sử dụng ở nhiều dạng địa hình,

- Chỉ phi trang bị, sở dụng, bảo dưỡng thấp;

- Thời gian chuẩn bị đến khi đưa vào sử dựng ngắn;

- Tiên lợi, nhỏ gọn, dễ đàng vận chuyển, cất trữ

Tiền cạnh những ưu điểm đó, những nhược điểm cho động máy bay này là khâng thẻ tránh khỏi

- Vấn dé nang lượng chơ các thiết bị bay nhỏ cần phải cái tiên vả nâng cấp

nhiều Pin nhẹ thì thởi lượng sử dụng ngắn mà khi tăng thời lượng pin sẽ tăng trọng, lượng đồng nghĩa với tiêu tồn năng lượng khi bay;

- Công nghệ tự động, điều khiển đang còn nhiều hạn chế, cần phải nâng cấp

hệ thẳng, chế độ bay phù hợp với những điều kiện phức tạp;

- Án Loàn bay, an nữnh, quyền riêng tu có những quy định khát khe riêng ở các quốu gia lên thế giới

Những nhược diém nay la phản nhỏ trong những ưu diễm, diều dỏ làm cho tính phổ biển của dòng máy bay nay ngay cang cao

Hình 1.1 UAV vận chuyển thuốc

Hiện nay, dựa vào câu tạo, các UAV được chia làm hai loại chính:

~ UAV cảnh cổ định là dòng máy bay cất cảnh theo đường băng Những dong may bay này cho phép bay nhanh và lâu hơn so với dòng máy bay có cánh

quạt nhưng khi cất cánh phải có một đường băng để lẫy đà hoặc cần tới sự trợ giúp

của máy phỏng;

~ UAV cánh quay là dòng máy bay sử dụng một hoặc nhiêu chong chóng

mang tạo ra lực nâng, loại máy bay nảy có thẻ tạo ra nhiều chế độ bay phúc tạp,

ổn định và ít rung lắc Đặc biệt với ưu thể cất cánh thẳng đứng không cân đường

băng cho phép đòng máy bay này hoạt động được trên nhiều địa hình phúc tạp,

không gian hẹp

Máy bay trực thăng (MBTT) không người lái là một loại trong dong UAV

cảnh quay sử dụng một chong chóng mang (CCM) duy nhất đẻ tạo ra lực đây nâng

toàn bộ máy bay Nó mang đặc trưng cơ bản của một chiếc MBTT vả khả năng xử

lý từ xa hoặc xử lý tư đông của một chiếc UAV So với UAV nhiều chong chóng mang, việc sử dụng một CCM cho phép đơn giản hóa cau tao Tuy nhiên việc đó

làm giảm đi khả năng linh hoạt của dòng máy bay nay

Trong lĩnh vực nông nghiệp thì UAV cũng được ứng dụng nhiều, như trong

phun thuốc trừ sâu, gieo hạt Với địa hình đồng ruộng nhỏ như ở Việt Nam thi những chiếc máy bay cảUha cánh thẳng đứng lả một lựa chọn phủ hợp đề ứng dụng

UAV trong nông nghiệp Vì thể, luận văn nay lựa chọn đôi tượng nghiên cứu lả MBTT không người lái

Hình 1.2 MBTT không người lái phục vụ trong nông nghiệp

7

1.1.2 Cau tao

MBTT được câu tạo từ sảu bộ phận chính (Chong chỏng mang, thân may

bay, cảng đáp, chong chóng lái, động cơ, hệ thông truyền động)[1]

~ Chong chỏng mang (CCM); được truyền chuyên động từ động cơ;

~ Thân máy bay: dùng để mang tải và chứa trang thiết bị của máy bay;

- Cảng: đề đồ hoặc di chuyên trên mặt đất,

~ Chong chỏng lái (CCL): đảm bảo sự cân bằng trên đường bay và điều khiển đường bay của máy bay;

~ Đông cơ: đề truyền chuyển động cho chong chong mang, chong chóng lái

Hau hết MBTT dành lượng thời gian đáng kẻ đề bay treo G trang thai nay,

MBTT không di chuyền mả treo tại một điểm trong không gian Các lực theo phương thằng đứng vả ngang phải triệt tiêu lân nhau Bay treo lả trạng thải bay được thiết kế tôi ưu cho MBTT đề hoạt động hiệu quả nhất Bởi vậy, đồ án sẽ tiền hành nghiên cứu hiện tượng đàn hỏi khí động ở trạng thải bay treo

Trong quả trình bay treo, mục đích chỉnh của rotor lả tạo ra lực nâng theo phương thẳng đứng để cân bằng với trọng lượng của máy bay Nếu lực nay cao/thập hơn trọng lượng, MBTT sẽ bay thẳng đứng lên trẻn/xuống dưới

MBTT cũng như các khí cụ bay khác, cỏ thể bay được khi cỏ lực kéo cân bằng với

trọng lượng của nỏ Lực kẻo ở máy bay trực thăng được tạo ra bởi CCM Khi CCM quay trong không khí thi lực kéo có phương vuông góc với mặt phẳng quay Nếu

CCM quay trong mặt phẳng năm ngang th lực kéo T hướng thẳng đứng lên phía

trên (Hinh 1.4a, Hinh 1.4b) nghĩa là cỏ thể bay thắng đứng

Đặc điểm bay được xác định bởi tỷ sỏ giữa lực kéo của CCM vả trọng lượng của MBTT Nêu lực kẻo bằng trọng lượng của máy bay trực thăng thi nỏ bay treo tại chỗ trong không khi (Hình 1.4a) Nếu lực kéo lớn hơn trọng lượng, mảy bay chuyển từ bay treo sang bay lên thẳng đứng (Hình 1 4b), khi lực kéo nhỏ hơn trọng

lượng máy bay bạ cảnh thẳng đứng

Mặt phẳng quay của CCM có thể nghiêng về phía bắt kỉ so với mặt phẳng

ngang (Hinh 1.4c, Hinh 1.4d) Trong trường hợp nảy, lực kéo thực hiện hainhiệm

vu Thanh phan thẳng đứng Y của nó lả lực nâng cỏn thành phản nằm ngang P là lực gây ra chuyển đông Dưởi tác dụng của lực P máy bay chuyển động vẻ phia

trước (Hình 1.4e) Khi mặt phẳng quay của CCM lệch vẻ phía sau máy bay chuyển

clÑm ngưng về phía ước điBay nging vé phia saw

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của MBTT

1.2 Lý thuyết tính toán trên cánh

1.2.1 Cac dic diễm chung

CCM là bộ phận chủ yếu của MBTT Nó dùng để tạo ra lực nâng, lực yên động và để điều khiển MBTT Các bộ phận chính của CCM là may ơ vả cảnh Các cảnh tạo ra lực kéo cần dé bay May o dùng đẻ lắp tất cá các cánh vả dùng để lắp CCM với trục quay chong chóng Theo đặc điểm câu tạo có thể chia CCM ra lam 3 loại Có cảnh gẫn cửng, có bản lẻ treo cảnh và có khớp các ding Loại thứ nhất và thứ ba do có nhiều nhược điểm nay không sử dựng nữa CCM có cảnh lắp trên các bản lễ lá loại được sử dụng phổ biến hơn cả Mỗi cánh được lắp trên may ơ bằng ba bản lẻ: đọc trục, nằm ngang vả thẳng đứng,

CCM được đặc trưng bằng các thông số hình học nhất định: đường kính, dạng cảnh trên mặt bằng , hình dạng của profil, góc đặt cánh, diện tích quét, phụ tải riêng và hệ sỏ điển đầy

Cỏ 3 loại hình dạng là hình chữ nhật hình thang va hình hồn hop

chóng rang chuyển động, Nếu kí

CL OE

Hình 1.7 Ba dạng chúnh: của là cảnh trực thăng,

Về hình dạng chung, cánh của MBTT cũng tương tự như cánh của máy bay

cánh bằng bao gồm: cạnh mép trước của cánh gọi là cạnh mép vào; cạnh mép sau

của cảnh gọi là cạnh mép ra, đầu mút cánh và gốc cánh Các đạng lá cánh thường:

được đùng phố biến hơn cã là hinh thang hình chữ nhật Lá cảnh hình chữ nhật có cấu tạo dom giãn nhưng cho đặc tính khí động kớm hơn so với lá cánh hình thang,

1.23 Profil của cảnh

Là hình đạng tiết của cảnh trong rnặt phẳng vuông góc với trục đọc

Profil ctia cénh CCM cũng giống như profil của cánh máy bay Người ta thường

- Tâm áp không dịch chuyến nhiều khi thay đối góc va,

- Có khả năng tự quay trong phạm vi đáng kẻ của góc va,

- ProBl cánh được đặc trưng bằng các thông số;

- Day cung b — đoạn nói của mép vào và mớp ra của profil;

- Chiểu dày lớn nhất của profil C„„„;

- Độ võng ƒ„„„ là khoáng cách lớn nhất từ đường trung bình của proñil tới

day cung

Think 1.5 Cée thing sé eta profil

Profil st dung che [a canh CUM thường có độ dày vừa phải, cho phép tăng

độ bên của các chỉ tiết chịu lực và độ cứng của cảnh Ngoài ra chất hrợng khí động của proñil loại này it phụ thuộc vào góc va Dặc điểm này cải thiện được thuộc tính

của cánh ở chế độ tự quay Thường thì độ day cia profil & mút cánh nhỏ hon so

với độ dày của proBi ở gốc cánh

ma phan 16 canh di qua sau một vòng quay của CƠM, riểu phãn tố cảnh chuyển:

động khi dây cung song song thì = 2zr tan @

— H=2nRig(y)

=2zRhe (K1)

2TR Hình 1.10: Xác định buốc phân tổ cảnh

Ở các phản tổ khác nhau thị góc đặt cứng khác nhau Dé làm bước chung của cảnh, người ta dùng gòc đặt hoặc bước của phân tổ cánh cỏ bản kinh tương đối

F = 07, Gc đỏ dược coi lả góc dit (bude) chung của CCM Khi xoay cánh so với trục đọc của nó thì góc đất bi thay déi sự xoay cảnh như vậy dược thực hiện do có bản lễ đọc trục Do đỏ bản lễ đọc trục cánh của CCM dùng để thay đổi bước

Thi phan 64 gin cinh @~ ee

1.2.7 _ Diện tích quét cia CCM

Tiện tích quét của CCM:

= ak? = —_

4 Diện tích này cũng là điện tích cánh máy bay hay điện tích của mặt mang,

Đổ tính đến tốn thất ở đâu vã gốc cánh, người ta đưa vào khái niém hệ số

tốn thất đầu cánh +, với hệ số nảy diện tích quét thực của CCMI tham gia vào việc tạo ra lực kéo được xác định theo công thức:

OMBTT hang nhe p = 12 — 25 kG fm?

Hệ số điển đầy tôi ưu năm trong khoảng ø = 0.04 — 0.07 [1], nghĩa là điện

tích cánh chiếm 4-7% diện tich quét

1.2.10 Tính toán lực nâng trên cảnh

Lực nâng trên cánh CCM dược tỉnh toán đựa trên công thức:

T= CFE CoRY Pris

F: Diện tích cánh

0012

Hình 1 13 Hệ số mô men theo góc đặt cảnh:

1.3 Xu hướng thiết kế bộ thí nghiệm

Sự phát triển không ngừng nghỉ của các dòng máy bay tạo ra các mâu máy

bay đã dạng với nhiều chế độ bay phức tạp Đề đạt được điều đó đòi hỏi sự phát

triển của bộ thí nghiệm Hiện nay, bộ thí nghiệm cho các đỏng máy bay trực thăng

được chia lâm năm loại chính sau:

~ Bộ thí nghiệm một trục không đi kèm thân;

~ Bộ thi nghiệm một trục đi kèm than,

~ Bộ thi nghiệm một trục linh hoạt;

~ Bộ thí nghiệm có hai trục;

~ Bộ thi nghiệm có ba trục

1.3.1 Bộ thí nghiệm một trục không đi kèm thân

Bộ thí nghiêm một truc không kèm thân là bộ thí nghiệm chỉ có những lá

cảnh, đế, va hệ thông điều khiển Với những đặc điểm trên bộ thí nghiệm này có thiết kế đơn giản, độ bền cao Tuy nhiên việc thiết kế đơn giản nảy lâm cho việc

nghiên cứu khi động bỏ qua ảnh hưởng của thân Đông thời, tác động của trục thí nghiệm lớn dẫn đền những sai lệch khí động trong quá trình nghiên cứu

Dựa vào những ưu nhược điểm trong thiết kẻ, bộ thí nghiệm nảy thường,

phục vụ cho những dòng máy bay thăng thăng cỏ yêu câu cao vẻ lực nâng

Hình 1 14 Bộ thí nghiệm chỉ cỏ một trục chinh

15

13.2 Bộ thí nghiệm một trục đi kèm thân

Đây là bộ thí nghiêm có thiết kế nâng cấp của loại một với thân kèm theo

Do đó, những ảnh hưởng về mặt khí động trên thân máy hoàn toàn có thể nắm được Tuy nhiên đối với loại thiết kế nảy, mô hình được giữ cô định, các chế độ

bay không được đẻ cập đến Vì vậy, không thẻ quan sát các chế độ bay khác nhau cho mô hình

Đổi với thiết kế này, bộ thí nghiệm phục cho những dòng mảy bay có chế

độ bay đơn giản

Hình L 15 Bộ thủ nghiệm một trục chỉnh kèm thân [2]

13.3 Bộ thí nghiệm một trục linh hoạt

Độ thí nghiệm này gồm một trục gắn liên với thân và CCM của máy bay trực thăng Bộ điều khiển được thiết kế phức tạp nhằm mục địch mô phỏng đây đủ các chế độ bay khác nhau của máy bay trực thăng, Nhờ đỏ, các đặc điểm khi động, cho các chế độ bay khác nhau được thẻ hiện một cách rõ nét, đồng thời sự ảnh hưởng vẻ mặt khí động của chân để là không đáng kẻ

Đổi với bộ thi nghiệm cỏ kết cầu phức tạp nảy thường được phục vụ cho

động mấy bay chế để bạy linh hoạt

Hình 1 16 Bộ thí nghiệm một trục linh hoạt [3]

16

1.3.4 B6 thi nghiém hai truc

Bộ thí nghiệm này bao gồm cả thân, CCM và hai trục điều khiển Với ưu

hơn so với loại một trục

điểm này, bộ thí nghiệm đem lại một kết cầu vững chỉ

Đồng thời, việc thêm hai trục ở hai bên giúp quả trình điều khiển bay nghiêng trái,

nghiêng phải, chúc, ngóc điền ra một cách thuận tiện Thiết kẻ đơn giản cũng là

một điểm mạnh cho bộ thí nghiệm này

Hình 1 17 Bộ thí nghiệm hai trục chính [3]

1.3.5 - Bộ thí nghiệm ba trục

Được nâng cấp lên từ phiên bản 2 trục, bộ thí nghiệm này có thêm một trục

ở trước đề có thể điều khiển quả trình bay chúc ngỏe một cách đễ đảng hơn, giảm

đi gánh nặng trong công tác điêu khiên mả vần có thẻ nắm bắt được hết các chế độ

bay Tuy nhiên, việc thiết kể quả nhiều trục gây ảnh hưởng đến khí đông ở bể mặt

đưới thân và mặt đât, các hiện tượng hiệu ứng mặt dat co sai số thí nghiệm cao

Từ những ưu điểm trên, dòng thiết kẻ này thường phục vụ cho những mô hình máy:

bay lớn, can chịu tải cao

Hình 1 1S Bộ thì nghiệm ba truc chinh:

Qua các thiết kế khác nhau đối với bộ thi nghiệm, việc lựa chọn một bộ thí nghiệm vừa có thiết kể đơn giản, đáp ứng đủ nhu câu sử dụng là vô cùng cản thiết

CHUONG 2 XAC DINH DOI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

ctu

2.1 Bộ thí nghiệm máy bay trực thăng không người lái

Ngày 12/9/2016, bác Bùi Hiển đã chẻ tạo ra chiếc may bay một người lái mang tên Giác Mơ, đây là chiếc trực thăng dạng một CCM đầu tiên được nghiên

cứu vả chế tạo tại Việt Nam Mẫu máy bay dành cho một người lai nay có các

thông số hinh học và động cơ như sau:

~ Hình dạng lá cánh: hình chữ nhật

~ Đường kính chong chỏng mang lả: 6700mm

~ Chiều đải dây cung: 180mm

về các hệ số không thứ nguyên được vẻ hình học và khi động đã được nghiên cứu

trước đỏ đề đảm bảo tỉnh đúng đắn của bải nghiên cửu Trong bải nghiên cửu nảy, các yêu tổ về đáp ứng lực nâng, độ bê cho toàn bộ mô hình được đẻ cập đến

Hình 2.1 Thân và để của bộ thí nghiệm

18

Bộ thí nghiệm nảy thiết kế gồm 6 bộ phận chỉnh bao gồm toan bé than va cánh máy bay và bộ đẻ Tổng khỏi lượng chiếc máy bay này là 0.4 kg (chưa kế vỏ máy bay) Lựa chọn hệ số an toàn là 1.3 để bao gồm các tên thất có thể xảy ra, thì

lực nâng cần thiết đáp ứng cho mô hinh nảy là 5.LN

Bảng 2.1 Cấu tạo chỉnh của mô hình

Thân, vỏ của mỏ hình HUAV

| Truc quay, đĩa quay và bộ cùm 145

Servo điêu khiến góc đặt cảnh

và góc nghiêng của đĩa quay 24

Bộ bánh răng giảm tốc 15

2.2 Mục đích nghiên cứu và quy trình nghiên cứu

Bộ thí nghiệm được thiết kế dựa trên cơ sở tỉnh toản lý thuyết, trong qua trình thí nghiệm đã có những hỏng hóc xây ra như gãy cạnh, sai số thực nghiêm, đôi hỏi cân phải đưa ra một phương pháp tìm ra độ bên, đải hoạt động của bộ

thí nghiệm Một phương pháp thực nghiệm ảo để nghiên cứu đánh giá độ bẻn, cũng,

như tìm ra những yêu tỏ khách quan gây nên sai số của bộ thí nghiệm

Để có hưởng đi đúng đắn cho bải nghiên cứu, một quy trình nghiên cứu

được đưa ra theo sơ đồ sau:

mô hình chỉ 2 cánh

Mô phỏng toàn bộ

mô hình

So sánh để khảo sát lưới

trên 2 cánh

Dai hoạt động của

Hinh 2.2 Sơ đồ quy trình nghiên của

19

Đầu tiên, dựa vào yêu cầu khối lượng can thiết cho kha nang bay lên của

mô hình là 5.1N, chúng ta có thể tính toán sơ bộ về kích thước cánh cần thiết cho

mô hình dựa vào công thức ở mục 1.2 ở chương 1 Từ những yêu câu thiết kế cân

thiết, ta thiết kẻ mô hình, sau đó, mô phỏng kiêm chứng với mô hình chỉ có hai

cánh đề có thể đánh giá sai số so với tỉnh toán lý thuyết, điều chỉnh lưới phủ hợp

cho quá trình mô phỏng tiếp theo

Sau khi đủ chắc chắn vẻ độ tin cây của lưới và phương pháp mô phỏng, mô hình toản thân và để được sử dụng để mô phỏng Từ đó đánh giá một cách tông quan các yếu tô gây ảnh hưởng đến sai số như thể nảo, đưa ra phương pháp tối tru thiết kế đề đạt lực kéo thỏa mãn yêu câu được đặt ra ban đầu Vả cuối cùng là kiểm tra tính bên cho toản mô hình, từ đó đưa ra các giới hạn vẻ dải hoạt động của mô

hình đang khảo sát

2.3 Phương pháp mô hình hóa

Mô hình máy bay trực thăng gồm toản bộ chân đẻ, thân vả CCM Trong đó, cánh CCM hoạt động ở chế độ quay, các bộ phận còn lại ở chế độ đứng yên Bài toán đặt ra là làm sao cỏ thẻ mô phỏng sự quay của cánh máy bay, đỏng thời sử dụng lực khí động, mô men trử cánh tạo ra áp vào thân và đề

Một phưsơng pháp được Markus Dietz và công sự [4] đưa ra để giải quyết

vấn đề này là chia mô hình làm hai phân: phan quay va phan đứng yên Sau đó, bỏ

qua tác động của mô men quán tinh, ap dụng lực khí động và lực nâng trên cánh

vào toản bộ mô hình và đề của bộ thí nghiệm

Hình 2.3 Phương pháp mô hình hỏa

Ưu điểm của phương pháp nảy là cho phép sử dụng giản tiếp lực khí động tac dụng lên cảnh đề tác dụng lên toàn bộ thân Vì thế tạo ra sự tương đương trong, quá trình mô phỏng

2.4 Phương pháp tính toán tương tác lỏng, ran

2.4.1 Hiện tượng đàn hồi khí động

Dan hỏi khí động (ĐHKĐ) là một hiện tượng xảy ra khi một vật rẫn, có tính

đàn hỏi được đặt trong môi trường lưu chất chịu tác động của các lực khí động,

20

quán tính và đản hồi khiển cho nó bị đao động có thể đẫn tới phá hủy ĐHKĐ được của làm hai lính vực chính là ĐHKĐ tính và ĐHKĐ động Colar đã để xuất mô

hình tương tác giữa các lực rhhư hình 2.4 [5]

ĐỘNG LỰC HỌC (Lực quan tinh)

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC Khiđydmhdimh = CƠ HỌC KẾT CÁU

(Lực khí động) (Lực đân hồi)

Tình 3.4 Than giác đâu hỗi khú dộng Collar

Hiện trọng ĐHEĐ từ lâu đã trở thành một trong những van để quan trong

nhất của ngành Kỹ thuật 1ang không Hiện tượng thường xây ra với cánh máy

tay, cánh quạt quay, cánh mảy nén có thể gây phá hủy kết cầu ảnh hưởng trực

tiếp đến an toan bay Bái iệc nghiên cứu hiện tượng ĐHKP là vô cừng cần

thiết và đồng mội vai trò quan trorur Irong hàng không,

a) Hiện tượng dân hồi khí dộng tinh

Theo tam giác khi động của Collar, hiện tượng DHKD tỉnh có sự tham gia của lực khi động và đàn hồi (Không có lực quán tính) Dặc trung cơ bản của hiện

tượng nảy lả sự biển dang theo một chiều Biến đạng sẽ làm thay đối phân bố ap

suất trên cảnh Các hiện tượng DIIKD tĩnh quan trọng nhất gồm:

- Xoắn phá hủy cảnh (đivergence}: xây ra cánh máy bay bị lệch hướng đưới

tác dụng của lực khí động dẫn tới kết cấu bị biến dang xoắn Khi góc đặt cánh và vận lắc tăng, lực khí động tăng theo Khi đạt đến vận tốc lới hạn, góe xoắn có xu Thưởng tiên dến vô cũng, đân đến cảnh có thể bị phá hữy,

- Dão chiều tác dụng cảnh lái: gây ra hiệu ng đáo ngược hiệu quả điều

khiến của cánh lái, khiến cho lực nâng trên cánh lái bằng 0 IIiện tượng thường

xảy ra khi máy bay đạt đến tóc độ tới hạn nào đó Khi đó, đông qua cánh nhiều đến

mức lực tạo ra bởi các cánh lái sẽ khiển chình nó bị xoắn về hướng ngược lại (so

với hướng điêu khiển) làm giảm hiệu quả điều khiển

Cáo hiện tượng ĐHKĐ tĩnh thường quan trọng với các máy bay nhỏ và tàu lượn Trong khi với các máy bay cỡ lớn, hiện tượng ĐHEĐ động thường được

quan tầm hơn

b) Hiện tượng đàn hỗi khi động động

Khí động đân hồi động là hiện tượng có sự tham gia của cả ba lực khí động,

đàn hồi và quán tính Dặc trưng cơ bản của hiện tượng nảy là sự đao động của

cánh Các hiện tượng chính bao gồm:

- Hiện tượng (utter là hiện Lượng đao động rung lắc, côn được gợi là nến xoắn, Bân chất của hiện tượng này là dao dộng diễu hòa tự đuy trì của một thành phan kết câu rào đó Khi tốc độ máy bay lăng, lực duy trì đao đông cảng tầng, biên

độ dao động tặng lên dén mét gia tri không dỏi Khi đó, nếu tiếp tục tăng vận tốc, kết cầu có thể bị phá hủy;

- Hiện tượng bafing lá hiện tượng rung lắc gây ra do dao động cưỡng bức của các đòng khí đút đoạn sinh ra do tác động của các thành phản phía trước của

máy bay Tân số kích thích của cáo đòng khí này tăng dẫn đến tản số đao động

riêng của kết câu lảm kết cầu bị rưng lắc

©) Hiện Lượng dan hai khí động của cánh quay

liiện tượng đân hỏi khí động trên MI3TT là một hiện tượng thường gặp trong quả trình hoạt dộng Nó gây ra các dao dộng lên cắc bộ phận của MBTT, 'Trong đỏ, dao động xáy ra trên cảnh CCM là loại nguy hiểm nhất bởi đây là bộ phận tạo ra lực nâng clrủ yêu của may bay, dim bao cho may bay hoạt động bình

thường, Các dao động về mặt lý thuyết cũng xây ra tại các bộ phận khác như chong

Tuy nhiên do độ cứng chủng thường lớn nên

chóng lái, cảng và thân máy bay

trong thực tế hẳu như ít xây ra hiện tượng này

Hiện tượng đản hổi khí động xây ra ở cảnh quay là hiện tượng tương tác giữa các lực khi động do cánh CŒM quay †ạo ra và lực đân hỏi đo kết câu sinh ra

Đó cũng chính là sự trao đổi năng lượng giữa dòng khi và vật rắn đàn hội Vì vậy, động khi bị mất năng lương và không thế cưng cập đủ năng lượng cho MBTT nh khi không có tương tác Điều này thường đẫn đến sự giảm lực nâng trêu cảnh Kết

a2

phap két hop gitta CFD (Computational Fluid Dynamics) va CSD (Computational

Structural Dynamics) Theo dé, phuoug phap sé chia bai loan thank hai bai toan

nhỏ hơn Ja bai toan khi động và bài toán kết

bằng các mô hình lương ứng, sau đó, kết quả sẽ được cập nhật cho nhau để lừ đó

tu Từng bài toán sẽ được giải riêng

giải được bài toán klú động đàn hồi Người 1a chỉa một bài toán EST thành hai loại

là bài toán một chiều và hai chiêu

2.42 Mô hình mô phẳng lưu chất

Tổ mô tả dòng chảy của chất lỏng hoặc chất khí trong tự nhiên, các phương

trình đã được xây đựng nhằm mỗ hình hóa các loại dòng chảy Các phương trình

đó bao gồm phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng (hay phương trình Navier-Stolkes) và phương trình bảo toàn năng lượng [6}:

? + divpV =0

Voi hai phương trình liên tue va Navier-Stokes, sau khi khai triển cho dong

PT28

không riên được, ta thu về một hệ phương trình gồm 4 phương trình va 6 An, trong

đề có 3 ấn lá thành phản vận tốc theo 3 phương, 3 ân là thánh phần áp suất theo 3

phương

Như vậy, số ăn cân giải thực tế nhiều hơn số phương trình, tức là hệ phương

trình không thể giải được Do đó, để khép kín hệ phương trình cần đưa thêm các

xnô hình tính toán đề khép kín hệ phương trình Hiện nay, sau khi được mô hình

hóa, bài toán sẽ được giải đựa trên sư hỗ trợ của máy tính và các phân mềm để dua

ra lời giải Dộ chính xác của phương pháp mô phỏng là khác nhau Các phương pháp mô phỏng chính được xây dựng và sử dụng trong tính toán hiện nay gồm có:

- DNS (Direel Numerical Sinuulation): Giải hệ phương trình NavierStooks trực tiếp không thông qua mô hình rỗi nào Đòi hỏi tải nguyên máy tính và thời giam giải rải lớn Phương pháp này cho lời giải chính xác nhất,

- LBS (Large Liddy Simulation): Giai phuomg trinh Navier-Stockes cé chon lọc, chỉ giải trực tiép cdc rdi kin (large eddy) Phuong pháp đòi hỏi nhiều tài nguyên

máy tính để giải nhưng không nhiều như DNS;

- RANS (Reynold Averaged Navier-Stocke

thời gian hé phuong trinh Navier Slockes Tât cả các rồi đều được mỏ hình hóa

Ñmmulaberm): Giải trung bình

Tả phương pháp phố biến để giải các dòng chây công nghiệp và nghiên cứu cơ học

lưu chất Không đỏi hồi cao về tải nguyên và thời gian Lính toán

Ngoài ra còn có nhiều mô hình khác là biển thẻ của các mô hình trên

2

Nhin chưng, các mồ hinh réi RANS hién nay đang được ưa chuộng sử đụng, tiơn các mô hình còn lại nhờ độ sị

pap va đặc biệt là tiết kiêm được tải nguyên

máy tính Các mô hình rỗi RANS được xây đựng đựa trên phương pháp trung bình hóa thời gian hệ phương trình Navier-Sloke Cơ sở gũa phương pháp mày là phân

tích các đại lượng thành hai thành phân trung bình vá mạch động, Hệ phương trình

được biểu đỗi về phương trình trung birút Ấn cần tìm là các đại lượng trung bình 2Ø theo thời giản Các phương trình liên Lục và Navier-Sloke được viết dưới dạng, trưng bình hóa như sau:

iy ze) — 3P ray OF ~ g?âu

Ry = — pug, = ur (

Như vậy, khi thực hiện việc trung bình hóa, các đại lượng trong hệ phương

trình được chuyển Thành các đại lượng trung, bình, đồng, thời xuất hiện thêm một

ứng suất tới được gọi là ứng suất Reynold Ứng suất Reynold xuất hiện làm ting thêm dn cho hệ DỄ giải quyết ứng suất nảy, người ta đưa vào các mô rối để mô tỉnh hỏa ứng suất Reynold Sau đó có thể sử dụng mô phỏng số để giải bằng máy tính

2.4.3 Mô hình mô phỏng động học kết cầu

Dong lực học kết cầu nghiên cứu ứng xử của kết câu dưới tác dụng của tải trọng Tải trọng tác động lên kết câu có thể chia thành hai loại Loại thứ nhất là lực

tinh, luc nay không thay đổi vả cho kết cầu đủ thời gian đẻ phản hỏi Trong khi đó,

loại lực thử hai được gọi là tải trọng động bởi lực này thay đổi rất nhanh theo thời

gian Chuyên động cơ bản của động học kết cầu được mô tả bằng phương trình dưới đây [6]

Trong d6, m la ma tran khoi hrong ket cau, w'la véc to gia toc, k là ma trận

độ cứng kết câu, u la vée to chuyén vi, f(t) là véc tơ lực phụ thuộc vảo thời gian

Để giải được bải toản nảy, ta có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Đây là cách giải sử dụng xâp xỉ phương trình vi phân bằng các phương pháp rời rạc hóa, chia nhỏ các miễn liên tục phức tạp của bài toán thành các miễn đơn giản hơn Các miễn này được liên kết với nhau tại các điểm nút hình học Lời giải cho bải toán

được thực hiện bằng cách tính các giá trị tại nút hình học Sau đó, sử dụng phương

pháp nội suy, ta sẽ tính được giá trị tại các điểm nằm giữa hai nút liên tiếp Như vậy, thay vì phải tính toán cho cả miền lớn, bải toán đưa vẻ việc tính toán trên các phân tử nhỏ, số lượng hữu hạn, giúp giảm thiểu đi rất nhiều khỏi lượng tỉnh toản

Các kết quả tỉnh toản bao gồm ứng suất, chuyên vị, biển dạng của kết câu

2.4.4 Tổng quan về các bài toán FSI trong ANSYS

Như đã trình bảy ở chương trước, bải toan FSI là sự kết hợp giữa bài toán khí động lực học (CED) và động học kết câu (CSD) Khi đã xây dựng được các phương trình khi động và kết cầu, việc giải hệ phương trình đó có thể thực hiện bằng các phan mềm tính toán chuyên dụng Một trong số đó có thể kế đến ANSYS Workbench Trong ANSYS, cỏ hai mô hình chủ yêu được sử dụng để mô phỏng

các hiện tượng FSI tương ứng với mức độ ảnh hưởng của lưu chất đến kết cầu

M6 hinh FSI mot chieu la su két hop gitta Fluent va Mechanical Structure

Ket qua tir Fluent duoc chuyen sang Mechanical Structure dé tinh toan

M6 hinh FSI hai chiều là sự kết hợp liên tiếp giữa Fluent va Mechanical Structure Sau đó, kết quả được chuy

hy Fluent sang Mechanical Structure va

ngược lại một cách liên tục trong suốt quá trình tỉnh toán

CHUONG 3 THIET KE VA KIEM TRA DAC TINH KHi DONG CUA

từ xa không chỏi than được sản xuất dựa trên công nghệ tiên tiến dat chuan Châu

Âu ROHS với thông số kỹ thuật: