Báo Cáo Thiết Kế Máy Bay UAV Aero Elearning UAV Group 1

Báo Cáo Thiết Kế Máy Bay UAV Aero Elearning UAV Group 1 tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập...

BÁO CÁO THIẾT KẾ MÁY BAY 2

UAV (UNMANNED ARIAL VEHICLE)

GVHD: PHD Vũ Ngọc ánh Nhóm:UAV 1

Đinh Trọng Hiếu G1000935

Trần Thái Hà G1000813 Nguyễn Phạm Thiên Tú G1003846

TP Hồ Chí Minh, 19 tháng 06 năm 2014

• QFD (Quality function Deployment) được diễn giải là trận đồ chức năng chất

lượng, đó là một công cụ quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất để cải thiện chất lượng, QFD được nghiên cứu và phát triển tại Nhật cuối thập niên 1960, bởi Giáo

sư Shigeru Mizuno và Yoji Akao

• Mặc dù QFD được hình thành vào cuối thập niên 1960, nhưng mãi đến năm 1972 nó mới được ứng dụng tại xưởng đóng tàu Kobe của Mitsubishi Heavy Industry ở Nhật QFD đạt đến đỉnh cao khi công ty sản xuất ôtô Toyota ứng dụng và phát triển thành một bảng chất lượng với một “mái ” phía bên trên và tên của bảng này là “ngôi nhà chất lượng”

Lợi ích của QFD:

• Tăng sự hài lòng của khách hàng

• Giảm chi phí ẩn trong quá trình phát triển sản phẩm

3

• Tránh rủi ro trong quá trình phát triển sản phẩm

• Xây dựng môi trường làm việc lành mạnh

Hình 1 House of quality

1 Yêu cầu khách hàng:

Đây là phần đầu tiên và quan trọng nhất của ma trận trong ngôi nhà chất lượng

Danh mục thông tin về những yêu cầu của khách hàng cho sản phẩm sẽ được mô tả theo ngôn ngữ của họ, hay còn gọi là tiếng nói của khách hàng (the voice of the customer)

Những thông tin này được thu thập thông qua quá trình giao tiếp với khách hàng

Khách hàng được khuyến khích để mô tả những gì họ cần và các vấn đề của họ đối với sản phẩm Danh mục những yêu cầu đã thu thập này sẽ dược đưa vào trong ngôi nhà chất lượng Một cấu trúc biểu đồ quan hệ và cây sẽ được xây dựng thông qua những tin thu thập

2 Ma trận hoạch định:

4

Ma trận hoạch định nằm phía bên phải của ngôi nhà chất lượng có một số mục đích

Thứ nhất, nó sẽ xác định lại những yêu cầu ưu tiên và những cái chấp nhận được của sản phẩm hiện tại

Thứ hai, nó cho phép những cái được ưu tiên sắp xếp trở lại dựa trên mối quan tâm của nhóm thiết kế về những cái ưu tiên này

Để định lượng được những cái này thường sử dụng bảng câu hỏi (questionaire) cho khách hàng Quan trọng nhất và việc đầu tiên phải kể đến đối với phần này là xếp hạng mức độ quan trọng Đây chính là quá trình định lượng đối với mối quan hệ giữa các yêu cầu của khách hàng

3 Yêu cầu kỹ thuật:

• Phần này thể hiện các đặc trưng kỹ thuật hay là tiếng nói của công ty, nó mô tả đặc tính sản phẩm của công ty Các thông tin này được nhóm thiết kế QFD xác định dựa trên những đặc trưng định lượng được mà họ nhận thấy nó có liên quan với yêu cầu của khách hàng

• Cũng với cách thức như phần một, ở đây những yêu cầu của khách hàng được phân tích và lập ra một cấu trúc, biểu đồ quan hệ và biểu đồ cây được ứng dụng để làm rõ hơn các đặc trưng sản phẩm

4 Mối quan hệ tương quan:

• Phần 4 chính là phần thân của ngôi nhà chất lượng và có thể tốn rất nhiều thời gian để hoàn tất Mục đích của nó chuyển những yêu cầu của khách hàng vào đặc tính kỹ thuật của sản phẩm

• Cấu trúc của nó là ma trận với 2 kích thước chuẩn gồm những cell để liên kết những yêu cầu riêng rẽ của khách hàng và yêu cầu kỹ thuật Nhiệm vụ của nhóm QFD là xác

5

định những mối quan hệ hay tương quan quan trọng nhất Sau đó sẽ có sự sắp xếp, đánh giá mức độ quan trọng và cho điểm trước khi hoàn tất

• 9 = strong

• 3 = moderate

• 1 = weak

5 Ma trận tương quan (mái nhà của chất lượng):

• Một ma trận tam giác “dạng mái” sẽ xác định yêu cầu kỹ thuật và đặc tính sản phẩm,

nó hỗ trợ hay ngăn những phần khác Cũng như trong phần 4, nhóm QFD sẽ so sánh từng yêu cầu kỹ thuật với những yêu cầu cũng như đặc tính kỹ thuật bên cạnh Với mỗi cell thì câu hỏi được đặt ra là “ cải thiện yêu cầu này có làm giảm giá trị hay tăng lên yêu cầu kỹ thuật khác?” Nếu câu trả lời là giảm giá trị yêu cầu kỹ thuật khác thì sẽ đánh dấu vào trong cell bằng một ký hiệu (chẳng hạn -) và ngược lại đánh dấu bằng ký hiệu +

• Strong positive ++

• Positive +

• Negative -

• Strong negative

6 Mục tiêu

• Đây là phần cuối cùng của ngôi nhà chất lượng, nó được hoàn tất và đưa ra những kết luận Thường nó gồm 3 phần:

• · Đặc tính kỹ thuật ưu tiên

• · Đánh giá đối thủ cạnh tranh

6

• · Mục tiêu sản phẩm

III Các cấp độ của house of quality:

Hình 2 Các cấp độ của house of quality

TÍNH TOÁN QFD CHO UAV:

Cấp độ 1:

Hình 3 Yêu cầu của khách hang và nhà sản xuất

7

Tất cả yêu cầu của khách hang và nhà sản xuất được mô tả ở trong ô bên trái

Những yêu cầu của khách thì sẽ có những yêu cầu đánh giá ưu tiên hơn và quan trọng

hơn,trên thực tế để xác định những yêu cầu nào của khách hang được chú trọng hơn thì họ sẽ làm những câu hỏi khảo sát đối với khách hang

Tại ô weight/importance là nơi để ghi những đánh giá nào khách hang chú trọng hơn cho sản phẩm mà họ mong muốn.ở đây,giá cả,dễ dàng hoạt động,dễ dàng hỗ trợ và di chuyển là

những cái được chú trọng nhất

Hình 4 Yêu cầu của kỹ sư và ma trận tương quan ( mái nhà của chất lượng )

Đối với phần ma trận tương quan thì chúng ta đánh giá sự tương quan giữa những yêu cầu của

kỹ sư.ví dụ như hình trên đánh giá giữa thời gian bay và tầm bay: thời gian bay càng lớn thì tầm bay càng lớn và thời gian bay giảm thì tầm bay giảm,vì nó có mối quan hệ nên ta đánh dấu (+)

Hình 5 Ma trận tương quan

Ma trận quan hệ

Sau khi hoàn tất những yêu cầu của khách hang và kỹ sư ,ta bắt đầu đánh giá sự tương quan giữa chúng

Ta sẽ nêu ra 1 ví dụ để hiểu rõ hơn và cứ thế làm tương tự :

So sánh chất lượng hình ảnh với thời gian bay :giữa 2 yêu cầu này không có tương quan gì nên ta để trống

9

So sánh chất lượng hình ảnh với tầm bay:giữa 2 yêu cầu này cũng không có tương quan gì đến nhau nên ta cũng để trống

So sánh chất lượng hình ảnh với độ cao hoạt động:giữa 2 yêu cầu này thì có tương quan,quan

hệ đến nhau.mỗi camera muốn nhìn rõ vật và chất lượng hình ảnh tốt thì phải ở một khoảng cách chụp phù hợp,nếu như cùng một camera đó mà độ cao hay khoảng cách chụp xa hơn thì khi đó hình ảnh chụp sẽ không rõ và hình chụp được sẽ không thấy Do đó tôi đánh dâu (0)

So sánh chất lượng hình ảnh với tải trọng:giữa 2 yêu cầu này thì cũng có sự tương quan với nhau.Bởi vì ,thông thường đối với những camera dành cho UAV thì chất lượng cao thì đồng nghĩa với khối lượng của camera mang theo sẽ tăng ,từ đó sẽ tăng tải trọng

So sánh chất lượng hình ảnh với tốc độ bay : giữa 2 yêu cầu này cũng có sự tương quan với nhau.Bởi vì,khi bay với tốc độ cao thì camera cũng có thể sẽ không kịp quan sát vật

So sánh chất lượng hình ảnh với các thông số còn lại như :vận tốc leo,quãng đường cất cánh

và hạ cánh,hình dạng ,hệ số tải thì những yêu cầu này không liên quan tới nhau

Hình 6 Mục tiêu:

Sau khi xác định tất cả các sự quan hệ giữa khách hang và kỹ sư thì chúng ta sẽ tính toán dựa theo hướng dẫn trong textbook

10

Hình 7 phần so sánh và cho điểm giữa UAV của chúng ta và 1 số UAV cùng loại hiện có

Đây là phần so sánh và cho điểm giữa UAV của chúng ta và 1 số UAV cùng loại hiện có trên thị trường,phần cho điểm này là do cảm tính của nhóm kết hợp với tham khảo thông số ,hoạt động của các UAV này

CẤP ĐỘ 2

Sau khi đánh giá yêu cầu khách hang và thông số hoạt động trong level 1 để tiếp tục đánh giá thì những thông số hoạt động sẽ được chuyển xuống thành yêu cầu khách hang và những mục tiêu đánh giá ở phần trước thì sẽ được dung để tiếp tục đánh giá :

11

Hình 8 Thông số đặc tính của level 2

12

Cũng tương tự như level 1 khi có thông số đặc tính chúng ta đi tìm sự tương quan của từng cặp và đánh dấu vào mái nhà của chất lượng

13

Chúng ta cũng đánh giá ma trận quan hệ và tính toán phần mục tiêu

Cấp độ 3 :

Tiếp tục quá trình đánh giá sự tương quan giữa yêu cầu khách hang tới thông số hình

học,chúng ta chuyển thông số đặc trưng đã được đánh giá ở phần trước xuống thành yêu cầu khách hang

14

Sau khi hoàn thành ma trận quan hệ thì chúng ta tính toán mục tiêu

IV PUGH MATRIX:

Phương pháp pugh dựa vào một ma trận các chỉ tiêu và khái niệm thiết kế như một

phương tiện trực quan so sánh các khía cạnh của cấu hình lựa chọn.ma trận pugh cho cấu hình máy bay được thể hiện như bảng dưới :

15

Dấu +:cấu hình đáp ứng tiêu chí tốt hơn so với mốc

Dấu =: cấu hình đáp ứng tiêu chí tương đương với mốc

Dấu -: cấu hình đáp ứng tiêu chí tệ hơn mốc

 Tiêu chuẩn đánh giá được lấy từ quá trình triển khai chức năng các thành phần QFD ,những thông số mà trong quá trình thiết kế của chúng ta nhằm thỏa mãn yêu cầu của khách hang

 Cấu hình chọn làm mốc phải là cấu hình đáp ứng tất cả những tiêu chuẩn vào thời điểm thiết kế

 ở đây tôi chọn cấu hình 1 máy bay truyền thống là cấu hình mốc,bởi vì nó đơn giản và thỏa mãn tất cả các tiêu chuẩn

16 Joined wing

Boom tail

17

Cánh canard Sau khi đánh giá,kết quả có được từ bảng cho thấy cấu hình 2 đuôi là vượt trội hơn 3 cấu hình kia do đó ,tôi chọn cấu hình 2 đuôi cho thiết kế của mình

PUGH MATRIX cho động cơ

18 Piston-propeller

19 Turbofan

20

Turbojet Sau khi đánh giá ,ta thấy turbojet và động cơ mốc là piston-propeller tương đương

nhau.nhưng vì piston-propeller đơn giản và rẻ hơn ,nên chọn piston-propeller

V WEIGHTED DECISION:

Cũng gần tương tự như pugh matrix nhưng ở đây ,ta không có cấu hình mốc,ta sẽ đánh giá mức độ quan trọng của các tiêu chuẩn đánh giá(weight factor)

Áp dụng cho vị trí đặt cánh ta có bảng dưới đây:

Cũng giống như pugh matrix các tiêu chuẩn đánh giá được lấy từ quá trình đánh giá sự thỏa mãn giữa yêu cầu khách hang và yêu cầu của kỹ sư

Mức độ đánh giá từ 0 tới 0.5 là từ rất quan trọng tới rất ít quan trọng

21

Chúng ta sẽ bắt đầu đánh giá bằng cách cho điểm ,thang điểm từ 1 tới 10 thể hiện từ rất tệ cho tới xuất sắc

Cánh đặt trên thân

Thuận lợi :máy bay ổn định theo phương ngang,dễ lắp đặt và đồng thời chi phí chế tạo thấp

Khuyết điểm :tải trọng tại khớp nối giữa cánh và thân lớn

Cánh đặt giữa thân

Thuận lợi :lực cản nhỏ nhất trong các phương án đặt cánh

Khuyết điểm: tính ổn định theo phương ngang thấp hơn so với cánh trên,trọng lượng rỗng của máy bay lớn

Cánh đặt dưới thân

Thuận lợi:thuận tiện cho việc thiết kế càng đáp thu vào (điều không có lợi trong trường hợp UAV )

Khuyết điểm : kết cấu nặng hơn và khả năng ổn định theo phương ngang kém hơn cánh trên

Sau khi đánh giá ,ta thấy cánh giữa thân có điểm cao nhất, do đó ta chọn cánh giữa

22

Tương tự ,ta áp dụng với vị trí càng đáp

Đặc biệt phải quan tâm chiều cao của càng để phù hợp đường kính chong chóng

VI ANALYTIC HIERARCHY PROCESS (AHP)

Trong ví dụ này ta cân nhắc tới 3 concept của UAV

concept 1 :với 1 thiết kế như 1 máy bay đơn giản bình thường

Concept 2: cấu hình 2 đuôi ,sử dụng động cơ turbofan

Concept 2 :sử dụng cấu hình máy bay canard với động cơ turbojet

24

Square matrix to determine weighting factors

Price Manufacture cost operation reliability Time to

0.272 0.256 0.345 0.399 0.0696 0.0938 0.108

operation 0.4564 0.355 0.406 0.239 0.162 0.185 0.109 reliability 0.0757 0.236 0.363 0.401 0.017 0.027 0.03 Time to

I Thông số kĩ thuật của UAV:

28

Góc đặt cánh i w 0 deg

Diện tích Aileron S a 0.1064 m 2

Cánh đuôi ngang – Tail

Biên dạng cánh đuôi ngang NACA 0012

Sải cánh đuôi ngang b t 0.903 m

Chord cánh đuôi ngang c t 0.258 m

Tỉ số bình diện cánh đuôi ngang AR t 3.499

Diện tích cánh đuôi ngang S t 0.233 m 2

Góc đặt cánh đuôi ngang i t 0 deg

Diện tích Elevator S e 0.08 m 2

Khoảng cách l t 1.24 m

Cánh đuôi đứng – Vertical tail

Biên dạng cánh đuôi đứng NACA 0012

Diện tích cánh đuôi đứng S v 0.06 m 2

Diện tích Rudder S r 0.021 m 2

Sải cánh đuôi đứng b v 0.35 m

Chiều dài than l f 1.21 m

Diện tích thân S fs 1.22 m 2

Khoảng cách từ mũi đến vị trí trọng tâm 0.98 m

Chiều rộng cực đại của thân (w f ) 0.28 m

II LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH TĨNH

1 Tính toán ổn định dọc

 Wing airfoil: BE 12355D

30

macw

L0w

2 w w

w lαw Lαw

lαw w

C 1+

πAR

 Tail airfoil: NACA 0012

2 t t

lαt t

C

C 1+

2 x C dε

=

Trong trường hợp này đóng góp của thân là không đáng kể nên ta cho bằng 0

mo mow mot mof

32

 Góc Alpha trim pitch:trim

mo trim

N w

N

v N wf

N

 Trong đó:

*

w w

f fs Rl N wf

N

b S

l S k k C

33

Hình 2.1: Đồ thị tra hệ số k N

W /4,

S b

 

2

v v v

b AR S



C C

C AR

 Trong đó, góc dihedral   2o (đo trên Auto CAD) đây là dạng “maximum

ordinates on mean surface” nên chọn giá trị 1

0

l

C rad

 

 

III TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG

1 LỰC CẢN

Tính toán lực cản dựa theo tài liệu của sách Roskam

Đầu tiên ta lựa chọn thông số K(hệ số độ nhám bề mặt) dựa vào bảng 3.1 trong tài liệu

43

Từ Ref và số Mach tra đồ thị trên ta được RWB=1.07

/ 0.029 0.36

0.006 0.049

Df b fb

B B

Db

d

d C

c

d

d

S l

d S

l d C

1.190.841.41

t t

t

v f

v

S

b S

45

6 5

6 5

039

LS H

LS v

R R

Bảng tham khảo các giá trị R x, R y,R zcủa một số máy bay

Ta chọn mẫu Beech N-35: R x=0.248, R y=0.338, R z =0.393

Moment quán tính theo phương x:

2 1.3558.40.454

w

xx x

W b

47

2 1.3558.40.454

yy y

W L

zz z

W M

a Tính toán các hệ số đạo hàm ổn định và điều khiển

 Hệ số đạo hàm theo phương X ứng với sự thay đổi vận tốc tới

 có thể xem như bằng 0

 Hệ số đạo hàm của pitching moment ứng với sự thay đổi trong một khoảng thời

gian của rate of angle of attack:

,2

b Bảng tổng hợp các giá trị hệ số ổn định và điều khiển theo phương dọc

 Tính các đạo hàm ổn định và điều theo phương dọc

X-force derivarives Z-force derivarives Pitching moment derivarives

I



 

Ổn định động theo phương ngang

a Tính toán hệ số đạo hàm ổn định và điều khiển

 Hệ số đạo hàm theo phương Y ứng với sự thay đổi khi xuất hiện góc dạt ngang

Lo n

C  KC C

Hệ số K tra từ đổ thị fig 3.12

52

Hình tra hệ số K

Hình định nghĩa y1, y2

2 ,w 1

2

a

y L

53

2 ,w

1

2

a

y L

IV CÁC MODE CHUYỂN ĐỘNG :

1 PURE PITCHING MOTION

Ta có phương trình trạng thái sau:

w w

0

00

0

00

 , vector điều khiển  r

Ma trận trạng thái A có dạng như sau:

Trị riêng của ma trận A là thỏa I A  0

Ta đã có giá trị của các hệ số sau: L p , La

Steady state roll rate:

1.1393

4.23370.2691

a

p

L p

1 cos( )

00

Clalpha_t = 1.8*pi()*(1+0.8*0.12); % NACA 0012

Clalpha_v = 1.8*pi()*(1+0.8*0.12); % NACA 0012

Cmo_w = Cmac_w + CLo_w*(xcg_c - xac_c);

Cmalpha_w = CLalpha_w*(xcg_c - xac_c);

60

Cmo_t = nu_t*V_H*CLalpha_t*(epsilon_o + i_w - i_t);

Cmalpha_t = -nu_t*V_H*CLalpha_t*(1 - d_epsilon_alpha);

% Fuselage contribution > 0

Cmo_f = 0;

Cmalpha_f = 0;

% -Summary -

Cmo = Cmo_w + Cmo_t + Cmo_f;

Cmalpha = Cmalpha_w + Cmalpha_t + Cmalpha_f;

alpha_trim_pitch = (-Cmo/Cmalpha)*180/pi();

fprintf('Cmo = %5.4f\n',Cmo)

fprintf('Cmalpha = %5.4f\n',Cmalpha)

fprintf('alpha_trim_pitch = %5.4f\n',alpha_trim_pitch)

% -He so luc nang qui cho toan may bay -

% Overall lift coefficient

CLo = CLo_w + 1*S_t*CLalpha_t*(i_t - i_w - epsilon_o)/S_w;

CLalpha = CLalpha_w + 1*S_t*CLalpha_t*(1 - d_epsilon_alpha)/S_w;

% -Xet dieu kien bay -

V_level = 196/3.6; % (m/s)

CL_level = 2*m*9.806/(0.7045*1.225*V_level^2*S_w);

alpha_level = ((CL_level - CLo)/CLalpha)*(180/pi());

61

for i = 0:100

alpha(i+1) = i*0.1; %cho alpha chay tu 0-10 degree

Cm(i+1) = Cmo + Cmalpha*alpha(i+1)*pi()/180; %do thi bieu dien end

plot(alpha,Cm,'-b',alpha_trim_pitch,0,'+r',alpha_level,Cmo+Cmalpha*alpha_level*pi()/1 80,'+r') %ve va danh dau tren do thi

% Stick-fixed neutral point of CG

xNP_c = xac_c - Cmalpha_f/CLalpha_w + 1*V_H*CLalpha_t*(1 - d_epsilon_alpha)/CLalpha_w;