Phân tích tải trọng và độ bền mỏi của càng máy bay cỡ nhỏ khi hạ cánh

Ngoài ra, để phục vụ cho quá trình tính toán độ bền mỏi, Pedro Filipe Fernandes de Albuquerque và Mohammad Sadraey đã tính toán về tải trọng tác động lên máy bay trong luận án và nghiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG MINH PHƯƠNG

Hà N ội – Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG MINH PHƯƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Hà N ội – Năm 2017

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Hoàng Minh Phương

Đề tài luận văn: Phân tích tải trọng và độ bền mỏi của càng máy bay cỡ nhỏ khi

LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Hoàng Minh Phương, học viên cao ho ̣c mã số CBC16005, cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Lê Thị Tuyết Nhung – Viện Cơ khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả

Hoàng Minh Phương

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn thạc sĩ

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Đề tài: “Phân tích tải trọng và độ bền mỏi của càng máy bay cỡ nhỏ khi hạ cánh”

Càng máy bay là một trong những bộ phận quan trọng của máy bay Tùy theo kích cỡ và kiểu dáng của máy bay mà có rất nhiều cấu hình càng khác nhau Tuy nhiên chúng đều có điểm chung, đó là hấp thụ lượng tải lớn khi máy bay cất và hạ cánh, giúp quá trình này diễn ra an toàn Chính vì vậy càng máy bay là một bộ phận cần được quan tâm để tránh khỏi những hỏng hóc đáng tiếc, trong đó có hỏng hóc

về mỏi Luận văn này sẽ nghiên cứu phân tích độ bền mỏi kết cấu càng máy bay cỡ nhỏ Kết quả của luận văn là đưa ra quy trình tính độ bền mỏi cho càng máy bay cỡ nhỏ, từ đó sẽ là cơ sở để phát triển lên các mẫu máy bay có kích cỡ lớn hơn

ABSTRACT OF THESIS Subject: “Analysis of load and fatigue resistance of small aircraft’s landing gear”

Landing gear is one of the important parts of the aircraft Depending on the size and type of aircraft, there are many different landing gear configurations However, they have a common point, which is capacity of absorbing a large amount

of load when the aircraft take-off and landing, so it helps these processes taken place safely Therefore, landing gear is the important part to be analyzed to avoid the regrettable failures, including failure of fatigue This project analyzes the fatigue resistance of structural landing gear of small aircraft Results of this project will be the basis for development on the aircraft with larger sizes

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI 1

1.1 Hiện tượng phá hủy mỏi 1

1.2 Các khái niệm cơ bản 2

1.3 Giới hạn mỏi vật liệu 3

1.4 Tính toán độ bền mỏi 10

1.5 Thuyết bền mỏi 12

1.5.1 Thuyết bền Von Mises 12

1.5.2 Thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất Tresca-Saint Venant 12

1.5.3 Thuyết bền Mohr 13

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới phá hủy mỏi 13

1.6.1 Sự tập trung ứng suất 13

1.6.2 Trạng thái bề mặt 14

1.6.3 Kích thước 14

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 15

2.1 Tải trọng tĩnh khi máy bay đứng yên 15

2.2 Tải trọng động trong trường hợp máy bay di chuyển 16

2.3 Tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi sau khi hạ cánh 19

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH MÔ PHỎNG BÀI TOÁN MỎI BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 21

3.1 Mục đích sử dụng phần mềm Ansys trong tính toán 21

3.2 Quy trình phân tích mỏi trong Ansys 21

3.2.1 Thiết lập mô hình 21

3.2.2 Chia lưới mô hình 22

3.2.3 Xác định thông số vật liệu 23

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY

BAY CỠ NHỎ 28

4.1 Các thông số máy bay Cri-cri 28

4.1.1 Bản vẽ và kích thước của càng máy bay Cri-Cri 28

4.1.2 Các thông số của máy bay Cri-Cri 31

4.2 Tính toán tải trọng cho càng máy bay Cri-Cri MC 32

4.2.1 Tính toán tải trọng tác dụng lên các càng khi hạ cánh 32

4.2.2 Tính toán tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi 36

4.3 Phân tích mỏi của càng máy bay 37

4.3.1 Xây dựng mô hình 37

4.3.2 Xây dựng thông số vật liệu 41

4.3.3 Đặt điều kiện biên 43

4.3.4 Xử lý kết quả 44

4.3.4.1 Càng mũi khi hạ cánh (Fn=582,84N) 44

4.3.4.2 Càng mũi khi chạy taxi (Fn=593,27N) 46

4.3.4.3 Càng chính khi hạ cánh (Fm=871.78N) 48

4.3.4.4 Càng chính khi chạy taxi (Fm=609,16N) 50

4.3.5 Phân tích các kết quả 52

KẾT LUẬN 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Hình ảnh một chi tiết máy bị phá hủy mỏi 1

Hình 2: Các đường đặc trưng của chu trình ứng suất 3

Hình 3: Mẫu thí nghiệm cho ứng suất uốn 4

Hình 4: Sơ đồ thực hiện thí nghiệm 4

Hình 5 : Kết quả thí nghiệm mỏi 5

Hình 6: Đường cong S – N 6

Hình 7: Biểu đồ giới hạn mỏi hệ tọa độ σa - σm 7

Hình 8: Biểu đồ giới hạn mỏi hệ tọa độ σa - σm 7

Hình 9: Các đường giới hạn 9

Hình 10: Đường giới hạn Goodman 10

Hình 11: Hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh của máy bay 15

Hình 12: Sự dịch chuyển của trọng tâm khi máy bay chuyển động 17

Hình 13: Phân bố tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi 19

Hình 14: Giao diện mô đun Static Structural 21

Hình 15: Các h nhập mô hình 3D từ bên ngoài thông qua thanh công cụ 22

Hình 16: Bảng số liệu của vật liệu thép cấu trúc 23

Hình 17: Nội suy tuyến tính từ thông số vật liệu 24

Hình 18: Nội suy Log – Log 24

Hình 19: Nội suy bán Log 24

Hình 20: Công cụ mỏi trong tính toán 25

Hình 21: Đồ thị tương ứng hệ số tỷ lệ r = -1 26

Hình 22 : Lựa chọn phương trình ứng suất trong Ansys 26

Hình 23: Máy bay Cri-Cri 28

Hình 24: Vị trí càng và các bộ phận khác của máy bay Cri-Cri 29

Hình 25: Bản vẽ của càng mũi 30

Hình 26: Bản vẽ của càng chính 31

Hình 27: Hình chiếu theo phương trực diện 32

Hình 28: Hình chiếu theo phương ngang 32

Hình 29: Đồ thị C d – α khi Re = 10 6 [13] 34

Hình 30: Càng mũi máy bay Cri Cri MC 38

Hình 31: Càng chính máy bay Cri Cri MC 38

Hình 32: Mô hình càng mũi để tính toán 39

Hình 33: Mô hình càng chính để tính toán 39

Hình 34: Chia lưới mô hình càng mũi 40

Hình 35: Chia lưới mô hình càng chính 40

Hình 36: Bảng thông số vật liệu của hợp kim 2024 trong Ansys 41

Hình 37: Đường cong S – N của vật liệu hợp kim 2024 42

Hình 38: Phân bố vật liệu trên càng mũi 42

Hình 39: Phân bố vật liệu trên càng chính 43

Hình 40: Điều kiện biên của càng mũi 43

Hình 41: Điều kiện biên của càng chính 44

Hình 42: Trường chuyển vị 44

Hình 43: Trường ứng suất 45

Hình 44: Phân bố tuổi thọ mỏi 45

Hình 45: Phân bố hư hại 46

Hình 46: Tr ường chuyển vị 46

Hình 47: Trường ứng suất 47

Hình 48: Trường tuổi thọ mỏi 47

Hình 49: Phân bố hư hại 48

Hình 50: Trường chuyển vị 48

Hình 51: Trường ứng suất 49

Hình 52: Trường tuổi thọ mỏi 49

Hình 53: Phân bố hư hại 50

Hình 54: Trường chuyển vị 50

Hình 55: Trường ứng suất 51

Hình 56: Trường tuổi thọ mỏi 51

Hình 57: P hân bố hư hại 52

1

LỜI MỞ ĐẦU

Đối với bất cứ một chiếc máy bay nào, yếu tố an toàn luôn là yếu tố quan trọng nhất Để giải quyết vấn đề này, khi thiết kế các nhà sản xuất máy bay luôn chú trọng tới mọi chi tiết và bộ phận trên máy bay, trong đó có càng máy bay

Trên thế giới đã có rất nhiều những bài báo, những đề tài khoa học nghiên cứu

về càng của máy bay, phần lớn kết quả đưa ra đều tập trung tới vấn đề mỏi của bộ phận này Prasad Kabade và Ravi Lingannavar đưa ra kết luận về yếu tố mỏi xuất hiện ở phần khớp nối (lug) của càng mũi một chiếc máy bay cỡ lớn 200 chỗ ngồi trong bài báo cáo khoa học quốc tế[1] Ravi Kumar, P.K Dash và S.R Basavaraddi – một nhóm các nhà nghiên cứu người Ấn Độ - thì lại tìm hiểu hiện tượng mỏi ở khớp nối (lug) càng chính của một máy bay vận tải[2], còn nhóm nghiên cứu Nikhil H.P,

K Manonmani, P.Mohan Swami tính toán về hiện tượng mỏi ở trục càng (axle) của một máy bay huấn luyện[3] Ngoài ra, để phục vụ cho quá trình tính toán độ bền mỏi, Pedro Filipe Fernandes de Albuquerque và Mohammad Sadraey đã tính toán

về tải trọng tác động lên máy bay trong luận án và nghiên cứu của mình[4][5] hay Thoai D Nguyen đã phân tích càng máy bay trong quá trình hạ cánh bằng phương pháp phần tử hữu hạn[6 ]… Điều này cho thấy việc nghiên cứu hiện tượng mỏi của kết cấu càng máy bay đã được nghiên cứu khá phổ biến Vì thế trong khuôn khổ luận văn này, những kiến thức đó sẽ được kế thừa và phát triển hỗ trợ quá trình nghiên cứu và phân tích độ bền mỏi của bộ phận càng máy bay cỡ nhỏ (từ 1 tới 4 chỗ ngồi) trong quá trình hạ cánh và quá trình chạy taxi

Trên cở sở phân tích các cách làm từ nghiên cứu lý thuyết, đề tài này sẽ được giải quyết theo hai hướng tiếp cận: phân tích lực bằng lý thuyết – xác định các tải trọng tác dụng lên càng máy bay và phân tích mỏi bằng phần mềm ANSYS– sử dụng các tiêu chuẩn mỏi để xác định vùng hư hại mỏi của chi tiết càng dựa trên nguồn cơ sở lý thuyết của các bài nghiên cứu khoa học trên

Để dễ dàng nắm bắt được vấn đề, nội dung của luận văn được trình bày theo thứ tự sau:

Chương I: Tổng quan về lý thuyết mỏi

2

Chương II: Cơ sở lý thuyết tính toán

Chương III: Quy trình mô phỏng bài toán mỏi bằng phần mềm Ansys

Chương IV: Tính toán và phân tích mỏi cho kết cấu càng máy bay cỡ nhỏ

Để hoàn thành luận văn, tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô trong bộ môn Kĩ thuật Hàng không và Vũ trụ, đặc biệt là TS Lê Thị Tuyết Nhung đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn ở

trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả

Hoàng Minh Phương

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI

Chương “Cơ sở lý thuyết” sẽ đưa ra một cách hệ thống và tổng quát về các lý thuyết sử dụng trong quá trình nghiên cứu phân tích tải trọng mỏi trên càng chính và càng mũi của máy bay cỡ nhỏ Nội dung của chương bao gồm các lý thuyết về tải trọng tác động lên càng, lý thuyết về phá hủy mỏi dựa trên cơ sở từ những bài nghiên cứu khoa học, tạo tiền đề cho các tính toán của luận văn

1 1 Hiện tượng phá hủy mỏi

Vào khoảng giữa thế kỷ thứ XIX, người ta quan tâm tới hiện tượng hàng loạt trục bánh xe của tàu hỏa bị gãy không rõ nguyên nhân Hiện tượng này đã được nhà khoa học Wohler tiến hành nghiên cứu một cách sâu sắc và có hệ thống Đó là một bước tiến lớn đánh dấu sự hiểu biết về hiện tượng lạ này – hiện tượng mỏi Thời gian sau, hiện tượng mỏi còn được phát hiện rất nhiều ở các kết cấu khác như tàu thủy, máy bay, cầu, các dàn khoan ngoài biển,

Hình 1 : Hình ảnh một chi tiết máy bị phá hủy mỏi

Sự phá hủy mỏi là cả một quá trình tích lũy sự suy thoái dần dần khả năng làm việc của vật liệu và chi tiết kết cấu Biểu hiện của sự suy thoái này được đặc trưng bởi ba quá trình bao gồm hình thành vết nứt tế vi, phát triển vết nứt tế vi và phá hủy trong trường hợp ứng suất thay đổi theo thời gian Vị trí của vết nứt gãy thường xảy

1 2 Các khái niệm cơ bản

 Biên độ ứng suất: Mỗi lần σ thay đổi σmin từ đến σmax rồi từ σmaxđến σmin

chúng ta gọi đó là một chu trình ứng suất Biên độ ứng suất có độ lớn bằng một nửa chu trình ứng suất

 Ứng suất trung bình: Có giá trị bằng trung bình cộng của ứng suất lớn nhất

và ứng suất nhỏ nhất trong một chu kì

r σσ

Dưới hình 12 là bốn trường hợp ứng suất thay đổi cơ bản tương ứng với bốn giá trị khác nhau của hệ số tỷ lệ

Khi r = -1 tức σmin = −σmax, ta có chu trình đối xứng (hình a)

Khi r = 1 tức là σmin = σ max ứng với tải trọng tĩnh (hình b)

3

Khi r = 0 hoặc r = ∞ ta có chu trình ứng suất mạch động (hình c)

Khi r ≠ 0 ta có chu trình bất đối xứng (hình d) Chu trình ứng suất này là sự kết hợp của chu trình ứng suất đối xứng và ứng suất tĩnh

Hình 2: Các đường đặc trưng của chu trình ứng suất

Các ứng suất sinh ra trong thực tế thường có dạng rất phức tạp nhưng yếu tố quyết định đến độ bền mỏi của vật liệu là ứng suất cực đại và cực tiểu của chu trình

Do đó có thể coi một chu trình ứng suất phức tạp như một chu trình ứng suất hình sin có giá trị ứng suất cực đại và cực tiểu tương ứng

1.3 Giới hạn mỏi vật liệu

Giới hạn mỏi vật liệu là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi tuần hoàn mà vật liệu có thể chịu đựng được với một số chu trình không hạn định và không làm xuất hiện vết nứt tế vi Giới hạn mỏi được ký hiệu là σr với r là hệ số tỷ lệ đã được định

nghĩa trước đó Nếu ứng suất chi tiết phải chịu nhỏ hơn σr tuổi thọ mỏi của chi tiết

4

là rất lớn, có thể coi là vô hạn Giới hạn mỏi này được xác định bằng thực nghiệm Dưới đây là mẫu thử sử dụng trong thí nghiệm uốn mỏi thuần túy

Hình 3 : Mẫu thí nghiệm cho ứng suất uốn

Tiến hành với sơ đồ thí nghiệm với mô tả thí nghiệm như sau: Động cơ 1 có

số vòng quay từ 2000÷6000 vòng/phút Mẫu thử 2 chịu uốn thuần túy nhờ những vòng bi lắp ở ngàm 3 Hộp 4 là bộ phận đếm số vòng quay của mẫu thử (đếm số chu trình)

Hình 4 : Sơ đồ thực hiện thí nghiệm

Bắt đầu xây dựng đường cong mỏi với sự phân bố của giới hạn mỏi hữu hạn Trước hết ta tìm hiểu về đường cong mỏi Đường cong mỏi hay đường cong

Wohler hoặc đường cong S – N là một khái niệm quan trọng trong tính toán và xác định tuổi thọ mỏi kết cấu vật liệu, nó thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất trung bình hoặc ứng suất lớn nhất) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N của chi tiết máy tới khi hỏng hoàn toàn Đồ thị S – N có thể được nội suy ở dạng log – log,

5

dạng bán log hoặc dạng tuyến tính (hình minh họa sẽ được trình bày cụ thể ở mục tiếp theo của luận văn này) Tiếp tục việc xây dựng đường cong mỏi, ta thực hiện các công việc:

 Dự đoán giới hạn mỏi của vật liệu ở chu kỳ ứng suất đối xứng theo công thức kinh nghiệm Ví dụ đối với thép: σ−u1≅(0.4−0.5)σb với σb là ứng suất bền

 Xác định mức ứng suất để gia tải trên máy Thường định ra từ 3 đến 4 mức ứng suất trên giá trị đã dự đoán và có số gia ∆σ = 0,1 σ−u1

 Mỗi ứng suất σitiến hành 5 – 10 thí nghiệm cho một loại mẫu Mỗi loại mẫu thí nghiệm sẽ cho một số chu kỳ ứng suất tương đương Tìm giá trị Ni trung bình của các thí nghiệm đó

 Tiến hành xác định giới hạn mỏi bằng việc tiếp tục thí nghiệm không ít hơn

10 mẫu theo phương pháp chia đôi giá trị xung quanh giá trị ứng suất ứng với số chu kỳ cơ sở No

Kết quả thí nghiệm mỏi trên thực tế như sau:

Hình 5 : K ết quả thí nghiệm mỏi

Trong quá trình thí nghiệm, số lượng mẫu dùng được quyết định bởi các yếu tố:

 Số mức ứng suất quyết định độ tin cậy của kết quả thu được

 Sai số tương đối đặc trưng cho độ chính xác

6

 Xác suất phá hỏng P% (Thông thường cần ít nhất 25 mẫu để thí nghiệm giúp xác định được giới hạn mỏi ứng với số chu kỳ ứng suất cơ sở No; nếu mục đích xây dựng đường con mỏi với xác suất P = 50% thì số lượng mẫu không bé hơn 100 mẫu)

Tiến hành xây dựng được đường cong Wohler (đường cong S-N) biểu diễn trên hệ trục tọa độ có trục đứng là ứng suất còn trục ngang là số chu kỳ tương ứng dựa vào các thí nghiệm mỏi trên thực tế như sau:

mỏi ngắn hạn của vật liệu

Ứng suất càng giảm thì số chu kỳ ứng suất càng tăng Khi ứng suất giảm đến giá trị 1

u

σ− thì đường cong mỏi gần như nằm ngang tức là số chu kỳ ứng suất có thể tăng lên rất lớn mà chi tiết không bị gãy hỏng Trị số 1

u

σ− khi đó còn được gọi là độ

bền dài hạn của chi tiết máy Tương ứng với trị số 1

u

σ− là số chu kỳ cơ sở No Theo kinh nghiệm người ta đưa ra các công thức liên quan tới giới hạn mỏi:

 Đối vs thép: σ−u1=0.5σb

 Đối vs gang: σ−u1 = 0.4 σb

7

 Đối với kim loại màu: σ−u1 = (0.25 0.5) ÷ σb

Với σb là ứng suất giới hạn bền Ta cũng có được các công thức thực nghiệm xác định giới hạn mỏi khi kéo nén hay xoắn đối xứng

σ− là giới hạn mỏi khi kéo nén

τ−x1 là giới hạn mỏi khi xoắn

Để xác định đầy đủ giới hạn mỏi của vật liệu, ngoài giới hạn mỏi của chu trình đối xứng người ta còn phải xác định giới hạn mỏi của các chu trình không đối xứng Giới hạn mỏi phụ thuộc vào hệ số bất đối xứng của chu trình vì vậy ta

phải làm một loại thí nghiệm như đã làm với chu trình đối xứng để xác định giới hạn mỏi tương ứng Với các số liệu thu được người ta lập được một biểu đồ gọi là

biểu đồ giới hạn mỏi của vật liệu

Biểu đồ giới hạn mỏi có thể được biểu diễn trên hệ tọa độ σ –σm (hình 7) hoặc hệ tọa độ σa- σm (hình 8)

Hình 7: Biểu đồ giới hạn mỏi hệ tọa độ

8

và biểu diễn giới hạn bền của vật liệu; phân giác của góc phần tư thứ nhất cắt đường giới hạn mỏi tại C, điểm C chính là giới hạn mỏi của chu trình mạch động (r = 0) Xét một chu trình bất kỳ biểu thị bằng điểm L(σm, σa) Đường nối dài OL cắt đường cong giới hạn mỏi M( '

r σσ

So sánh từ hai biểu thức trên ta thấy được r = r’, như vậy hai chu trình biểu

diễn bằng điểm L và M có cùng hệ số bất đối xứng và được gọi là hai chu trình đồng dạng Tỉ số đồng dạng của hai chu trình có giá trị:

m a r

m a

OM n

Vì điểm M biểu thị một chu trình giới hạn nên tỉ số n r cũng là hệ số an toàn

của một chu trình cho trước Nếu n r > 1 tức là chu trình biểu thị bằng một điểm nằm

trong đoạn OM thì đó là chu trình an toàn, ngược lại nếu n r < 1 thì chu trình đó không an toàn

9

Đã có những nhà nghiên cứu đã đề xuất ra các phương trình của đường giới hạn đó, việc tìm ra các phương trình này đều là kết quả nghiên cứu của những thí nghiệm thực tế và trong những phương trình đó đều thể hiện mối quan hệ của biên

độ ứng suất và ứng suất trung bình với các giới hạn bền của vật liệu Dưới đây là những phương trình của những nhà nghiên cứu đó:

 Phương trình Goodman đề xuất năm 1899

10

σu chỉ giới hạn bền

σf: chỉ ứng suất phá hủy thực tế

Cũng qua tính toán từ các phương trình trên và thông qua các thử nghiệm với

những phương trình khác nhau, người ta đã chỉ ra rằng phương trình Goodman ứng

dụng tốt cho vật liệu giòn còn phương trình Gerber ứng dụng tốt cho vật liệu dẻo Đây là cơ sở phục vụ cho quá trình tính toán số ở giai đoạn sau, giúp lựa chọn phương trình phù hợp với loại vật liệu

1 4 Tính toán độ bền mỏi

Khi tính toán độ bền mỏi ta cần phải lựa chọn được đường cong thể hiện mối quan hệ giữa giới hạn mỏi và giới hạn bền Ví dụ nếu như lựa chọn đường giới hạn Goodman để tính toán hệ số an toàn cho một chu trình, quy trình thực hiện tính toán

sẽ được thể hiện như sau (tính toán tương tự với các trường hợp đường giới hạn – phương trình khác)

Xét bài toán với đường giới hạn Goodman biểu thị mối liên hệ giữa biên độ ứng suất và ứng suất trung bình như hình vẽ 20

11

' '

.

m r m

a r a

n n

12

1 5 Thuyết bền mỏi

Với mỗi loại vật liệu khác nhau thì khi tính toán mỏi sẽ sử dụng những thuyết bền khác nhau để tính toán, như thế mới cho kết chính xác nhất Dưới đây sẽ giới thiệu một số thuyết bền hay dùng trong thực tế[9]

1 5.1 Thuyết bền Von Mises

Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do thế năng biến đổi hình dáng của phân

tố ở trạng thái ứng suất phức tạp đạt tới thế năng biến đổi hình dáng ở trạng thái nguy hiểm của phân tố ở trạng thái ứng suất đơn Ta có thể phát biểu thuyết này như sau: Hai trạng thái ứng suất phức tạp và đơn sẽ có độ bền tương đương nếu thế năng riêng biến đổi hình dạng của chúng bằng nhau Phương trình này được minh họa hình học như 1 miền elip ứng suất Von Mises

1 5.2 Thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất Tresca-Saint Venant

Một nguyên nhân khác mà vật liệu bị phá hủy là do ứng suất tiếp lớn nhất của phân tố ở trạng thái ứng suất phức tạp đạt tới ứng suất tiếp nguy hiểm của phân tố ở trạng thái ứng suất đơn Thuyết bền có thể được hiểu: Hai trạng thái ứng suất phức tạp và đơn sẽ có độ bền tương đương nếu ứng suất tiếp lớn nhất của chúng bằng nhau

Thuyết bền này chỉ phù hợp cho vật liệu giòn

Tuy thuyết bền Moh có nhựơc điểm là bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất chínhvà đã đơn giản đường cong giới hạn thành đường thẳng nhưng cũng có ưu điểm hơn những lý thuyết trên vì có xét đến trạng thái ứng suất của vật liệu bị phá hoại Mặt khác, ở lý thuyết này cũng không cần đề ra những giả thuyết mà căn cứ trực tiếp vào các trạng thái ứng suất khối nguy hiểm biểu thị bằng những vòng tròn giới hạn Trong thực tế, người ta thấy lý thuyết này phù hợp nhiều với vật liệu có độ bền kéo và nén khác nhau và chỉ chính xác khi vòng tròn giới hạn của trạng thái ứng suất đang xét nằm trong khoảng 2 vòng tròn kéo và nén

1 6 Các yếu tố ảnh hưởng tới phá hủy mỏi

1 6.1 Sự tập trung ứng suất

Dưới tác dụng của tải trọng tĩnh thì sự tập trung ứng suất không ảnh hưởng tới giới hạn lực phá hoại của chi tiết Nhưng nếu chi tiết này làm việc dưới tác dụng của ứng suất thay đổi thì sự tập trung ứng suất làm cho giới hạn mỏi giảm xuống, làm ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu

14

1.6 2 Trạng thái bề mặt

Giới hạn mỏi còn bị ảnh hưởng của trạng thái bề mặt chi tiết sau gia công Bề mặt chi tiết được đánh bóng hoặc được gia công đặc biệt làm cho cứng có tác dụng làm tăng giới hạn mỏi

1 6.3 Kích thước

Giới hạn mỏi thay đổi tùy theo kích thước tuyệt đối của mẫu Với cùng loại vật liệu và cùng hình dạng, giới hạn mỏi của thanh có kích thước lớn bao giờ cũng thấp hơn giới hạn mỏi của thanh có kích thước nhỏ

Điều này được giải thích: một thanh có kích thước lớn thì khả năng sẵn có những vết nứt rất nhỏ cục bộ nhiều hơn, tính đồng chất thấp hơn, độ sâu của bề mặt được biến cứng trong quá trình gia công bé hơn thanh có kích thước nhỏ cho nên độ bền mỏi giảm sút so với thanh có kích thước nhỏ

15

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

Chương “Cơ sở lý thuyết” sẽ đưa ra một cách hệ thống và tổng quát về các lý thuyết sử dụng trong quá trình nghiên cứu phân tích tải trọng mỏi trên càng mũi càng ba điểm của máy bay cỡ nhỏ Nội dung của chương bao gồm các lý thuyết về tải trọng tác động lên càng, lý thuyết về phá hủy mỏi dựa trên cơ sở từ những bài nghiên cứu khoa học

2.1 T ải trọng tĩnh khi máy bay đứng yên

Xét theo trạng thái của máy bay, tải trọng tác động lên càng máy bay sẽ bao gồm tải trọng tĩnh khi máy bay đứng yên và tải trọng động khi máy bay di chuyển

Giả sử máy bay có khối lượng W trọng tâm cg chịu tải trọng tĩnh dưới mặt đất Khoảng cách giữa hai càng chính là T, khoảng cách từ càng chính tới càng mũi là B

B m là khoảng cách từ càng chính tới trọng tâm, B n là khoảng cách từ càng mũi tới

trọng tâm Phản lực tác dụng lên càng mũi là F n , lên tổng càng chính là F m Để đảm bảo tính ổn định trên mặt đất, càng mũi chịu từ 5% đến 20% tổng tải trọng, còn càng chính chịu từ 80% tới 95% tổng tải trọng[5]

Xét hệ quy chiếu xyz với chiều của các trục như hình vẽ Tổng hợp lực theo trục z thẳng đứng, ta có được phương trình cân bằng lực[5]:

0

z

F =

∑

B F B

Tải trọng tác tĩnh tác động lên càng chính có độ lớn:

W

n m

B F B

(Lưu ý, trong trường hợp tải tĩnh trên, để đơn giản trong tính toán, tải trọng trên càng chính được mặc định chia đều cho càng chính trái và càng chính phải)

2.2 Tải trọng động trong trường hợp máy bay di chuyển

Phần tính toán phía trên chỉ đề cập tới tải trọng tĩnh của máy bay Tuy nhiên trên thực tế thì do sự thay đổi của phân bố tải, sự di chuyển của hành khách, của hành lý hay do sự tiêu hao nhiên liệu khi máy bay vận hành thì có hai trường hợp

mà càng máy bay chịu tải trọng khác Khi đó vị trí trọng tâm máy bay sẽ di chuyển

từ vị trí cg aft tới vị trí cg for như hình 12

Xét bài toán máy bay có trọng lượng W, trọng tâm di chuyển trong khoảng

cg aft tới cgfor Khoảng cách giữa hai càng chính là T, khoảng cách từ càng chính tới càng mũi là B Bm min , Bn max lần lượt là khoảng cách từ càng chính và càng mũi tới

cg aft , Bm max , Bn min là khoảng cách từ càng chính và càng mũi tới cg for

17

Theo công thức (2.3) và (2.4) tính toán từ phần tải trọng tĩnh ở mục 2.1, ta được:

max

m

B F

B

min min

m n

Trong biểu thức trên, số hạng thứ hai của tổng là tải trọng động của máy bay

Để đơn giản hóa, đặt:

dym

a H F

Với giá trị F n và F dym được tính ở các công thức trước đó

Tương tự với càng chính, ta có phương trình cân bằng Momen tại O:

19

2.3 Tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi sau khi hạ cánh

Hình 13: Phân bố tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi

Ta có phương trình cân bằng Momen tại trọng tâm CG:

21

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH MÔ PHỎNG BÀI TOÁN MỎI BẰNG

PHẦN MỀM ANSYS 3.1 Mục đích sử dụng phần mềm Ansys trong tính toán

Có tới khoảng 80 – 90% hỏng hóc về kết cấu liên quan đến sự mỏi của vật liệu nên cần thiết kế một công cụ để có thể phân tích mỏi một cách nhanh chóng và chính xác hơn Ansys là một phần mềm như vậy, nó chó phép người dùng tính ứng suất và sau đó là phân tích mỏi bằng phương pháp phần tử hữu hạn

3.2 Quy trình phân tích mỏi trong Ansys

Nhìn chung, quy trình để phân tích một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần

sử dụng mô đun Static Structural và thực hiện theo 5 bước:

 Thiết lập mô hình

 Chia lưới mô hình

 Xác định thông số vật liệu

 Đặt điều kiện biên và phân tích mỏi

 Xuất kết quẩ quả mô phỏng và phân tích

Tuy nhiên tùy theo yêu cầu của bài toán mà ba bước đầu tiên của quy trình có thể bị thay đổi thứ tự hoặc gộp lại

Hình 14: Giao diện mô đun Static Structural 3.2.1 Thiết lập mô hình

Từ bản vẽ 2D của mô hình, cần dựng lên hình khối 3D bằng cách sử dụng lựa

chọn Design Modeler trong mô đun Static Structural hoặc có thể nhập mô hình 3D

22

đã có thông qua lựa chọn Import External Geometry File thuộc thanh công cụ của

Design Modeler

3.2.2 Chia lưới mô hình

Sau khi nhập mô hình xong, cần tiến hành chia lưới cho mô hình Lý do cần phải chia lưới cho mô hình là vì Ansys sử dụng phương pháp hữu hạn để giải quyết bài toán nên cần chia nhỏ phần tử

Mô hình vật thể có thể được chia lưới tự động hoặc có thể thêm các hiệu chỉnh khác nhau tùy theo ý muốn để chia lưới chi tiết Thao tác này sẽ quyết định tới số lượng nút và số lượng phần tử, quyết định đến độ chính xác của bài toán và thời gian làm việc (lưới chi tiết sẽ cho số lượng nút và số lượng phần tử cao hơn, bài toán sẽ có độ chính xác cao hơn, tuy nhiên thời gian làm việc lại tăng lên)

Sau khi chia lưới, có thể kiểm tra chất lượng lưới bằng hệ số Skewness hay Orthogonal có giá trị từ 0 tới 1 trực tiếp trên mô hình lưới Với hệ số Skewness, chất lượng lưới tốt nếu giá trị Skewness gần 0 còn giá trị Skewness gần 1 thì chất lượng lưới không tốt Hệ số Orthogonal có giá trị ngược lại với Skewness, tức lưới được chia tốt khi hệ số này có giá trị gần 1 Nếu chất lượng lưới không tốt, cần chia lưới chi tiết hơn để kết quả bài toán không bị ảnh hưởng