Nghiên cứu chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ Balsa và vật liệu composite cho máy bay không người lái

Nghiên cứu chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ Balsa và vật liệu composite cho máy bay không người lái Nghiên cứu chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ Balsa và vật liệu composite cho máy bay không người lái Nghiên cứu chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ Balsa và vật liệu composite cho máy bay không người lái luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

không người lái

Anh.NVCB180096@sis.hust.edu.vn

Gi ảng viên hướng dẫn: TS Đinh Tấn Hưng

HÀ NỘI, 6/2020

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

H ọ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Việt Anh

Đề tài luận văn: Nghiên cứu, chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ Balsa và vật

liệu composite cho máy bay không người lái

Chuyên ngành: K ỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã s ố HV: CB180096

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 03/08/2020 với các nội dung sau:

- Thêm phần so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm

- Sửa các lỗi chế bản

- Sửa lại danh mục tài liệu tham khảo

- Sửa theo các ý kiến phản biện

Ngày tháng năm 2020

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CH Ủ TỊCH HỘI ĐỒNG

Kính gửi: Viện Cơ khí động lực

PHIẾU ĐĂNG KÝ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI

1 Họ và tên người hướng dẫn chính: Đinh Tấn Hưng Học vị Tiến Sĩ

2 Cơ quan: Viện Cơ khí Động lực

3 Họ và tên người hướng dẫn phụ (nếu có): Học vị……… Học hàm………

4 Cơ quan :

5 Email : dinhtanhung@gmail.com DĐ : (+84) 37 999 7777

6 Nội dung :

Đề tài 1: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

a) Tên đề tài: Nghiên cứu, chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ Balsa và vật liệu composite cho máy bay không người lái

b) Mục tiêu chính của đề tài:

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của phân bố các gân tăng cứng bằng balsa lên lớp vỏ của của kết cấu dùng vật liệu composite

c) Nội dung của đề tài, các vấn đề cần được giải quyết:

- Tổng quan về lý thuyết vật liệu và kết cấu

- Xác định mục đích nghiên cứu và tính cấp thiết của để tài

- Lựa chọn, xây dựng mô hình tính toán ống hình trụ có sự phân bố về số lượng gân tăng cứng bằng balsa khác nhau

- Tiến hành chế tạo mô hình để thực nghiệm và so sánh kết quả

Đề tài 2: Chuyên ngành: a) Tên đề tài:

b)

c) Mục tiêu chính của đề tài (các kết quả chính cần đạt được):

d) Nội dung của đề tài, các vấn đề cần được giải quyết:

Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Người hướng dẫn

Lời cảm ơn

Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đinh Tấn Hưng, các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ và đặc biệt cảm ơn một số bạn sinh viên trên Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và dưới

nước đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện Xin cảm ơn!

Tóm tắt nội dung luận văn

Các dạng máy bay không người lái đang ngày càng được 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 khá nhiều Tuy nhiên những nghiên cứu về sự kết hợp của hai vật liệu này cho hàng không thì lại chưa có hoặc rất ít Nhận thấy rằng gỗ balsa tuy cứng những

lại rất dễ bị tác động từ môi trường, còn vật liệu composite lại có khối lượng khá nặng nếu như chế tạo với nhiều lớp vải hoặc khả năng chịu uôn và đảm bảo hình dạng kém hơn nếu không có khung định hình Do vậy nghiên cứu này tiếp cận đến sự kết hợp giữa hai loại vật liệu trên nhằm mục đích tận dụng những ưu điểm trên và đưa ra những cơ sở dữ liệu tham chiếu cho quá trình thiết kế UAV thông qua mô phỏng và thực nghiệm

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

TỔNG QUAN CHUNG 1

Vật liệu trong hàng không 1

Các dạng kết cấu 12

Xác định hương tiếp cận và mục đích nghiên cứu 17

XÂY D ỰNG MÔ HÌNH, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PH ỎNG 20

Quy trình thực hiện mô phỏng 20

Phương pháp phần tử hữu hạn 21

Khái niệm 21

Các dạng phần tử 23

Xây dựng mô hình 23

Phương trình kết cấu 3D 24

Hằng số kỹ thuật 25

Thông số vải cacbon 27

Thông số lõi Balsa 28

Lựa chọn và thiết kế mẫu thử 30

Mô phỏng 33

Đánh giá kết quả 41

Kéo, nén dọc trục 41

Uốn 45

Xoắn 49

CH Ế TẠO, TIẾN HÀNH THỬ NGHIỆM VÀ SO SÁNH 52

Quy trình thực nghiệm 52

Chế tạo 53

Phương pháp chế tạo 53

Chế tạo khuôn mẫu 53

Kiểm tra bề mặt khuôn và tạo lớp chống dính 54

Tiến hành hút chân không 55

Chế tạo lớp lõi và hoàn thiện 56

Thí nghiệm 57

Kết quả 59

K ẾT LUẬN 67

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nhựa polyester 2

Hình 1.2 Nhựa Vinylester 2

Hình 1.3 Sợi thủy tinh woven (A), sợi thủy tinh đa hướng sợi ngắn (B) 5

Hình 1.4 Sợi Cacbon đan dạng Twill (A), Plain (B), Tow (C) 5

Hình 1.5 Sợi Kevlar 6

Hình 1.6 Xốp PVC với các độ dày khác nhau 9

Hình 1.7 Xốp nhiệt dẻo 9

Hình 1.8 Xốp PU 10

Hình 1.9 Vật liệu lõi dạng tổ ong 10

Hình 1.10 Gỗ Balsa 11

Hình 1.11 Mô hình máy bay làm từ gỗ Balsa 11

Hình 1.12 Máy bay bằng vật liệu composite cacbon của viện vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học 12

Hình 1.13 Các lực cơ bản tác động lên máy bay 12

Hình 1.14 Các dạng cấu trúc thông thường của máy bay [10] 13

Hình 1.15 Cấu trúc dạng thanh giằng 14

Hình 1.16 Kết cấu dạng monocoque 14

Hình 1.17 Semi-monococque 15

Hình 1.18 Các dạng ứng suất chính [10] 16

Hình 1.19 UAV Scan Eagle- boeing 19

Hình 2.1 Quy trình tiến hành mô phỏng 20

Hình 2.2 Mô phỏng dòng khí qua van bướm dùng FEA 21

Hình 2.3 Ứng dụng FEA để mô phỏng kết cấu chi tiết càng máy bay 22

Hình 2.4 Rời rạc hóa mô hình chân vịt tàu thủy 22

Hình 2.5 Các dạng phần tử phổ biến dùng để rời rạc hóa mô hình 23

Hình 2.6 Các phần tử dạng bậc 2 của phần tử có cấu trúc 23

Hình 2.7 Đường đặc tính ứng suất- biến dạng của vật liệu cacbon/epoxy điển hình [14] 28

Hình 2.8 Đường đặc tính ứng suất- biến dạng dọc trục Balsa (HD balsa- gỗ balsa có khối lượng riêng cao và LD balsa-gỗ balsa có khối lượng riêng thấp) [16] 29

Hình 2.9 Đường đặc tính ứng suất- biến dạng ngang Balsa (HD balsa- gỗ balsa có khối lượng riêng cao và LD balsa-gỗ balsa có khối lượng riêng thấp) [16] 29 Hình 2.10 Mẫu mô hình tiến hành mô phỏng với 6 gân Balsa (A), 12 gân (B) 31 Hình 2.11 Bản vẽ kĩ thuật toàn bộ mẫu mô hình 32

Hình 2.12 Bản vẽ kĩ thuật các mẫu mô hình với số lượng gân tăng cứng khác nhau 32

Hình 2.13 Mô hình sau khi được gắn đồ gá 33

Hình 2.14 Nhập mô hình đã được thiết kế vào môi trường tính toán 34

Hình 2.15 Nhập thông số vật liệu cho ABAQUS 35

Hình 2.16 Thiết lập bước tính toán 35

Hình 2.17 Tạo hướng cho các thanh tăng cứng Balsa 36

Hình 2.18 Thiết lập tương tác giữa các phần 37

Hình 2.19 Liên kết chặt giữa lớp vỏ và thanh tăng cứng Balsa 37

Hình 2.20 Tương tác giữa chốt và thành ống trong mô phỏng uốn 3 điểm 38

Hình 2.21 Điều kiện biên tại vị trí chốt di động 38

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

Hình 2.23 Đặt điều kiện biên 39

Hình 2.24 Lực nén ở một đầu của mô hình 40

Hình 2.25 Chia lưới vùng vật liệu balsa balsa 40

Hình 2.26 Hoàn thiện chia lưới 41

Hình 2.27 Phân bố áp suất trên vỏ của các mô hình 4 (A), 6 (B),

CB-12(C) 42

Hình 2.28 Chuyển vị dọc đối với các mô hình khác nhau CB-4 (A), CB-6 (B), CB-12 (C) 43

Hình 2.29 Chuyển vị ngang của các mô hình CB-4 (A), CB-12 (B) 43

Hình 2.31 Đồ thị biến dạng ngang phụ thuộc vào lực 44

Hình 2.32 Đồ thị chuyển vị dọc của mô hình CB-12 và nhôm 45

Hình 2.33 Phân bố ứng suất uốn một điểm của CB-4 (A) và CB-12 (B) 46

Hình 2.34 Chuyển vị uốn một điểm toàn phần của CB-4 (A) và CB-12 (B) 46

Hình 2.35 Chuyển vị uốn một điểm ngang của các mẫu CB-4 (A) và 47

Hình 2.36 Chuyển vị uốn một điểm phụ thuộc vào mô-men uốn 47

Hình 2.37 Đồ thị giữa ứng suất uốn một điểm và chuyển vị ngang 48

Hình 2.38 Chuyển vị uốn ba điểm so với lực tác dụng của các mô hình và vật liệu nhôm 48

Hình 2.39 Phân bố ứng suất trên mẫu CB-4 (A), CB-8 (B) 49

Hình 2.40 Phân bố đồng đều ứng suất khi bị xoắn của CB-12 49

Hình 2.42 Tập trung ứng suất tại điểm giao nhau giữa vật liệu Balsa và composite 50

Hình 2.43 Đặc tuyến ứng suất- chuyển vị xoắn của nhôm và CB-12 50

Hình 3.1 Quy trình thực hiện thực nghiệm từ kết quả mô phỏng 52

Hình 3.2 Sơ đồ thực hiện phương pháp hút chân không 53

Hình 3.3 Chất chống dính Wax 8 55

Hình 3.4 Nhập khẩu nhựa epoxy 55

Hình 3.5 Vỏ mẫu thử nghiệm 56

Hình 3.6 Lớp lõi Balsa được cắt bằng máy cắt laser 56

Hình 3.7 Đồ gá sử dụng cho thực nghiệm 57

Hình 3.8 Hoàn thiện mẫu thử nghiệm 57

Hình 3.9 Thiết lập trạng thái hoạt động cho thử nghiệm nén 58

Hình 3.10 Đặt mô hình vào buồng thử nghiệm 58

Hình 3.11 Lắp đặt hệ thống cho thử nghiệm xoắn phá 59

Hình 3.12 So sánh khối lượng 59

Hình 3.13 Kết quả thực nghiệm quá trình nén dọc trục 60

Hình 3.14 Kết quả thực nghiệm uốn ba điểm 62

Hình 3.15 Phá hủy mẫu CB-12, vết nứt phát triển ở đầu bị ngàm 64 Hình 3.16 Xoắn phá hủy mẫu CB-4 các vết rách đều tập trung ở đầu bị ngàm 65

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số một số loại nhựa nền thông dụng 3

Bảng 1.2 Thông số một số loại sợi thủy tinh [3] 4

Bảng 1.3 Một số dạng sợi vải cacbon [4] 6

Bảng 1.4 Thông số một số dạng sợi Kevlar [5] 7

Bảng 1.5 Tính chất một số dạng sợi tự nhiên [6] 7

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật dùng để mô phỏng [13] 27

Bảng 2.2 Thông số Balsa [15] 29

Bảng 2.3 Thông số các mô hình 31

Bảng 2.4 Kết quả mô phỏng xoắn phá hủy 50

Bảng 3.1 Một số bước chuẩn bị làm khuôn 54

Bảng 3.2 Kết quả đo của các mô hình thử nghiệm trong 5 lần đo và sai số trung bình (đơn vị mm) 61

Bảng 3.3 Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm nén trong chuyển vị lớn nhất (mm) 62

Bảng 3.4 Kết quả chuyển vị tối đa khi đặt cùng một tải trọng (đơn vị mm) 63

Bảng 3.5 Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm uốn ba điểm trong chuyển vị lớn nhất (mm) 63

Bảng 3.7 Kết quả thử nghiệm xoắn phá hủy của các mẫu thử nghiệm 64

T ỔNG QUAN CHUNG

V ật liệu trong hàng không

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

1786 bởi anh em nhà Montgolfier Tiếp theo các tài liệu về khí động học được hình thành, ấn bản đầu tiền mang tính khoa học do George Cayley viết vào năm

1853 khởi đầu cho những sản phẩm máy bay sau này với hình dáng khí động bao gồm các phần thân, cánh, các tấm ổn định và điều khiển Chiếc máy bay đầu tiên

do người lái điều khiển được thực hiện bởi anh em nhà Wright 1903 đánh dấu một bước ngoặt cho sự phát triển hàng không Vật liệu sử dụng chủ yếu đó là thép dạng liên kết thanh và được phủ vải bạt kết hợp với khung gỗ Tiếp đến thế

hệ sau là các máy bay sử dụng vật liệu thép dạng tấm và sau đó là hợp kim nhôm Hợp kim nhôm hầu như có mặt ở tất các thế hệ máy bay thời kì đó cũng như đến tận bây giờ, nhờ tính dẻo và nhẹ Ngày nay vật liệu composite đã trở nên ngày càng thông dụng trong hàng không vì những tính năng ưu việt sẽ được giới thiệu ở phần sau Trong công nghiệp hàng không tương lai sẽ xuất hiện thêm nhiều loại vật liệu mới cũng như thêm những phương pháp chế tạo khác Đặc biệt

là trong thời đại 4.0, khoa học máy tính và dự liệu lớn phát triển sẽ tạo tiền đề cho việc thiết kế không giới hạn các loại máy bay với nhiều chức năng khác nhau

để đáp ứng thị trường [1]

 V ật liệu composite

Đây là dạng vật liệu được cấu thành từ nhiều hơn hai thành phần trở lên nhằm tạo ra một vật liệu phức hợp mới với những đặc tính về cơ tính tốt hơn hoặc vượt qua được vật liệu cũ Có hai loại vật liệu cơ bản dùng trong ngành vật liệu composite đó là vật liệu nền và vật liệu cốt Vật liệu nền có tác dụng cố định các vị trí tương đối của vật liệu cốt trong khi những vật liệu cốt có tác dụng chịu các tải trọng chính trong hệ thống Trong phương pháp chế tạo, việc dùng khuôn mẫu được sử dụng nhiều nhất và cho phép định hình các sản phẩm chính xác như mẫu thiết kế Trong phương pháp này các sợi được đặt vào trong lòng khuôn thành từng lớp trước khi được truyền nhựa Ngoài ra còn có rất nhiều phương pháp khác như hút chân không, phun, sử dụng máy tự động… Tuy nhiên mỗi một

phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng cho việc tạo ra các vật liệu có tính chất riêng biệt

• V ật liệu nền

Hình 1.1 Nhựa polyester

Đa số các vật liệu nền đều là vật liệu polymer và được ứng dụng trong cả nghiên cứu lẫn thương mại Vật liệu này có giá thành tương đối rẻ nhưng lại chịu tác động từ môi trường Các loại vật liệu này thường tồn tại ở dạng lỏng sau đó

sẽ hóa rắn khi chịu tác động của chất đóng rắn Nhiệt độ đóng rắn ảnh hưởng chặt chẽ đến tính chất vật lí và thời gian đóng rắn của vật liệu

Hình 1.2 Nhựa Vinylester

Các loại nhựa được dùng để làm nền cho các dạng sợi chủ yếu như polyester (hình 1.1- fibreglassshop.co.nz), vinyl ester (hình 1.2-fiberglasssupplydepot.com), epoxy, polyamide Ngoài ra còn có các loại nhựa nhiệt dẻo nhưng do tính chất đặc thù đó là hóa lỏng dưới tác động của nhiệt độ nên không có nhiều ứng dụng trong hàng không

Bảng 1.1 Thông số một số loại nhựa nền thông dụng

Resin MGS®

LR285 Mô-đun đàn hồi

- Có độ nhớt cao hơn polyester

- Độ bền cao hơn

- Dễ kéo dài và chống nước tốt hơn

- Chịu nhiệt tốt

- Độ bóng cao

- Có độ nhớt cao nhất

- Thích hợp với các ứng dụng hàng không Nhược điểm - Yếu khi tiếp xúc

Sợi Điển Hình - Sợi thủy tinh - Sợi thủy tinh - Sợi cacbon

- sợi thủy tinh

- Sợi Aramid

Thông qua số liệu trên có thể nhận thấy rằng epoxy có giá thành tuy cao nhưng đáp ứng được ứng dụng cho với sợi cacbon là thích hợp với các ứng dụng hàng không nhờ độ nhớt lớn và ít chịu tác động từ môi trường

 S ợi thủy tinh

Bảng 1.2 Thông số một số loại sợi thủy tinh [3]

Sợi Khối lượng riêng

(Kg/mm3)

Mô-đun đàn hồi (GPa)

Độ bền kéo (GPa)

o Loại A thường được tạo từ alkali và dùng để làm kính cửa sổ

o Loại C sử dụng có các ứng dụng chịu nhiệt và kháng hóa chất

o Loại E có khả năng cách điện cao

o Loại S có modun đàn hồi cao nhất cũng như độ bền lớn nhất, đồng nghĩa với việc giá thành cao

A) B) Hình 1.3 Sợi thủy tinh woven (A), sợi thủy tinh đa hướng sợi ngắn (B) Khối lượng riêng của các loại sợi thủy tinh (hình 1.3) thường lớn so với sợi cacbon do vậy không được thường xuyên lựa chọn cho các UAV loại nhỏ Ứng dụng chủ yếu của chúng là trong ngành đóng tàu

 S ợi cacbon

Sợi cacbon được phát minh lần đầu tiên ở Cleveland, Ohio, vào năm 1958 Các lợi thế vượt bậc của nó sớm được đưa vào các ứng dụng dân dụng Sợi cacbon có nguồn gốc từ polyacrylonitrile (PAN), pitch, cellulose hoặc từ các sợi tiền thân khác như lignin and polyethene Cách sắp xếp sợi trong cấu trúc có ảnh hưởng rất lớn đến độ cứng của toàn cấu 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 ẩn chứa nguy cơ tiềm tàng tới toàn bộ cấu trúc và là trung tâm phát triển của các điểm yếu

C) Hình 1.4 Sợi Cacbon đan dạng Twill (A), Plain (B), Tow (C)

Một vài dạng sợi cacbon có thể có độ cứng đến xấp xỉ 350GPa khi đi qua quá trình xử lí nhiệt lên tới 1650 độ C và có đường kính vào khoảng 7-8 micro met Độ khít càng cao cấu trúc sẽ càng bền Các nét đặc trưng chủ yếu của sợi cacbon là có hệ số độ cứng trên khối lượng cao, kháng nhiệt tốt, kháng hóa học tốt

Bảng 1.3 Một số dạng sợi vải cacbon [4]

Mô-đun kéo (GPa) 227.5- 386.1 40.6 158.5- 379.2

 S ợi Kevlar

Sợi Kevlar được phát minh bởi nhà hóa học DuPont vào năm 1965 Loại sợi này được đánh giá là nhẹ hơn và mạnh hơn thép Trong quá trình sản xuất Kevlar, hydrogen chloride bị triệt tiêu từ terephthaloyl chloride và para-phenylenediamine Các sợi sẽ được phân giải với axit sulphuric sau đó

Hình 1.5 Sợi Kevlar Bảng 1.4 Thông số một số dạng sợi Kevlar [5]

đàn hồi (GPa)

Độ bền kéo (GPa)

Kevlar 29 Độ cứng cao và độ bền cao 83 3.6

Kevlar 49 Mô-đun cao phù hợp với các

úng dụng composite

124 3.6-4.1

Từ bảng 1.4 nhận thấy khi so sánh 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 để chế tạo áo chống đạn và lốp xe đua

 S ợi tự nhiên

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

lượng riêng (g/cm3)

Độ bền kéo (MPa)

Mô-đun đàn hồi (GPa)

Bamboo 1.5 503 35.91 Coconut 1.4–3.8 120.0–200.0 19.0–26.0 Coir 1.2 175.0–220.0 4.0–6.0 Cotton 1.5–1.6 287.0–597.0 5.5–12.6

Flax 1.4–1.5 345.0–1500.0 27.6–80.0 Hemp 1.4–1.5 550.0–900.0 70

• V ật liệu lõi

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

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

âm, kháng nhiệt, kháng nước… Bằng cách sử dụng kết hợp với tấm vỏ bên ngoài thường là từ vật liệu composite, lớp lõi cho phép truyền tải ứng suất tốt hơn Hơn thế nữa các vật liệu lõi cũng có khả năng uốn theo hình dạng của khuôn để tạo ra sản phẩm đáp ứng được nhu cầu sử dụng

 Xốp PVC: Xốp Polyvinyl chloride (PVC) được tạo nên từ việc kết hợp polyvinyl copolymer với các chất nhựa hóa và ổn định cùng các thành phần 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 để tăng khối lượng riêng Khối lượng riêng của xốp PVC có

thể đạt được từ 64 kg/m3 tới 480 kg/m3

Hình 1.6 Xốp PVC với các độ dày khác nhau

 Xốp nhiệt dẻo [7]: đặc tính nổi bật nhất của loại vật liệu này đó là nhẹ

với khối lượng riêng chỉ rơi vào khoảng 32kg/m3 Tuy nhiên, nó có thể bao gồm một vài bất lợi đó là có đặc tính kĩ thuật kém và có xảy ra phản ứng với một số chất hóa học

Hình 1.7 Xốp nhiệt dẻo

 Xốp PU: loại xốp này tồn tại ở nhiều dạng như dạng rắn và lỏng Được kết hợp từ hai thành phần hóa học Khối lượng có thể đa dạng phụ thuộc vào tỉ lệ thành phần của các chất hóa học có trong hỗn hợp dẫn đến khối lượng riêng từ 32 kg/m3 tới 320 kg/m3 Tuy nhiên, vì có ứng suất cắt thấp, nên ít khi được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu

Hình 1.8 Xốp PU Hình 1.9 Tổ ong [8]: đây là dạng cấu trúc phổ biến nhất trong hàng không

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

nhỏ

Hình 1.10 Vật liệu lõi dạng tổ ong

 Balsa: Balsa là một loại vật liệu lõi phổ biến được sử dụng nhiều trong hàng không, tàu thủy…Gỗ Balsa có thớ gỗ song song với nhau giống như các sợi tổng hợp Sự kéo dài các sợi có thể gấp 10 lần so với đường kính của nó Loại gỗ này có rất nhiều các khối lượng riêng khác nhau, từ

đó ảnh tưởng rất lớn đến khối lượng riêng vật liệu Siêu nhẹ so với độ bền là đặc tính của loại vật liệu này và cho phép chế tạo những loại vật liệu nhẹ và cứng Tuy nhiên do tính chất tự nhiên của gỗ, các tác nhân môi trường sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền của vật liệu Độ ẩm

và nhiệt độ chính là hai tác nhân có thể làm giảm độ bền của gỗ balsa làm biến dạng 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 và có thể dẫn đến tăng lực cản hình dạng

Hình 1.11 Gỗ Balsa

• K ết luận

Từ phần tìm hiểu vật liệu ở trên ta có thể nhận thấy ưu điểm và nhược điểm của các dạng vật liệu Trong đó máy bay làm từ gỗ balsa (hình 1.10) có nhược điểm rõ rệt là kém bền và ảnh hưởng cao từ yếu tố môi trường như độ ẩm và dễ

bị cong vênh Tuổi thọ của các máy bay dạng này thường rất ngắn và các thiết bị

gắn lên máy bay cũng bị hạn chế Các thiết bị có có chỗ gá chắc chắn, hình dạng khí động cũng không được đảm bảo vì máy bay dạng này thường được dán bằng các lớp balsa mỏng để tạo hình dáng khí động Riêng với hợp kim nhôm mặc dù

có độ cứng lớn nhưng nhìn chung không thích hợp với UAV dạng nhỏ vì khối lượng vẫn nặng và thừa bền nhiều Việc này khiến các máy bay phải chịu thêm tải không có ích

Hình 1.12 Mô hình máy bay làm từ gỗ Balsa

Hình 1.13 Máy bay bằng vật liệu composite cacbon của viện vật lý ứng

dụng và thiết bị khoa học Mặt khác, các vật liệu composite có nhiều tiềm năng hơn, đặc biệt trong ứng dụng với những máy bay nhỏ Đặc biệt loại vật liệu này có tính kháng hóa chất và chịu được ảnh hưởng từ môi trường Độ bền lớn và độ bền mỏi cao cho

các thiết bị bay có thể hoạt động trong thời gian lâu hơn, sẽ giảm các chi phí từ bảo dưỡng đến sửa chữa cũng như giảm tải rủi ro khi hoạt động Từ đó quyết định lựa chọn vật liệu nền là epoxy, cốt cacbon và vật liệu lõi là balsa để tiến hành thử nghiệm để kết hợp những ưu điểm vượt trội của hai loại vật liệu trên

• Duy trì đặc tính khí động cho máy bay

• Chịu tải

Thân máy bay là nơi để cung cấp không gian cho các thiết bị và cũng là nơi kết nối các bộ phận khác của máy bay như cánh, đuôi, và hệ thống hạ cánh Thông thường các kết cấu của máy bay sẽ ở đạng vỏ đơn (monocoque) hoặc bán đơn (semi-monocoque) có thêm các thanh gân tăng cứng để chịu lực Hình dạng các máy bay dạng này có xu hướng là hình trụ giúp chịu áp lực đều theo hướng trong mặt phẳng cắt Để giảm khối lượng của máy bay, các cấu trúc khung thường được sử dụng trong hầu hết các trường hợp bao gồm các bộ phận chịu lực

như vỏ, khung, sườn, dầm, gân tăng cứng Các vật liệu được sử dụng có thể đa dạng từ gỗ, sắt, nhôm và các vật liệu tiên tiến như composite Thông thường liên kết giữa lớp vỏ và khung kết cấu của máy bay sẽ được tạo kết nối bằng các phương pháp hàn, dùng đinh tán, keo dán hoặc đinh vít Thông thường, cấu trúc phổ biến của thân máy bay [10] đó là dạng semi-monocoque (hình 1.14-4) ngoài

ra có các kết cấu dạng monocoque (hình 1.14-3), thanh giằng (hình 1.14-1 và 1.14-2)

Hình 1.15 Các dạng cấu trúc thông thường của máy bay [10]

• Thanh thép [10] là một trong các dạng kết cấu đầu tiên được sử dụng trong

kỉ nguyên đầu của ngành hàng không Những chiếc máy bay đầu tiên có kết cấu được tạo nên từ các khung thép kết nối với các khớp sau đó được che phủ bằng vải bạt Loại kết cấu này nặng so với khả năng chịu đựng tải trọng nên ít được sử dụng ngày nay và chỉ còn được dùng với máy bay trực thăng dần dần các kết cấu này bị loại bỏ để thay thế dần bằng lớp vỏ sử dụng vật liệu nhẹ hơn mà đảm bảo độ bền hơn như nhôm Ngoài ra loại kết cấu này có một bất lợi là khó chế tạo nhưng kiểu dáng thân phức tạp, từ đó

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

Hình 1.16 Cấu trúc dạng thanh giằng

• Dạng monocoque [10] là dạng kết cấu này có độ bền phụ thuộc chủ yếu vào lớp vỏ cũng là phần chịu hầu hết tải trọng chính trong khi thành phần

khung là tấm chặn phần lớn là có tác dụng định hình cho vỏ thân máy bay Trong dạng kết cấu này lớp vỏ khi chịu tác động xoắn hoặc uốn sẽ dễ bị biến dạng và dẫn đến phá hủy Trong khi các phần chịu lực tập trung chính nằm trên cánh và thân thì những khu vực này lại khuyết thiếu kết cấu chịu lực vì thế rất khó để duy trì khối lượng nhỏ mà vẫn đảm đảo được độ bền cho phép [10]

Hình 1.17 Kết cấu dạng monocoque Hình 1.17 Semi-monocoque [10] là loại kết cấu điển hình nhất dùng trong hàng không Lợi thế lớn nhất của dạng kết cấu này đó là sự tích hợp thêm các gân tăng cứng dọc theo lớp vỏ Do đó khả năng chịu uốn của thân được cải thiện một cách rõ rệt vượt qua những hạn chế của kết cấu dạng monocoque Các gân tăng cứng nhẹ hơn các thành phần chịu lực dọc khác và có thể gắn vào 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 cấu theo chiều dọc hoặc chiều ngang Nó phụ thuộc vào từng nhà sản xuất và từng loại nhiệm vụ của mỗi máy bay Thông thường hợp kim nhôm là thành phần chính để xây dựng loại kết cấu này kết hợp với rất nhiều đinh tán Trong nghiên cứu này, vật liệu composite sẽ được dùng để chế tạo và thử nghiệm Khi chịu tải, do tính đồng nhất của kết cấu các vật liệu, tải trọng sẽ được truyền tải lên toàn bộ các phần của máy bay [10]

Hình 1.18 Semi-monococque Thêm nữa, các phần các của máy bay như đuôi, cánh chính có chức năng khác, nhưng vẫn đi theo một vài nguyên tắc thiết kế giống như thân máy bay trong khi được thêm các thành phần chịu lực mới như dầm xương và dầm dọc hoặc các tấm ổn định Trong thiết kế cánh, hai thanh dầm chính sẽ chạy dọc theo sải cánh có tác dụng chịu lực chính trong khi lớp vỏ có nhiệm vụ đảm bảo hình dạng và truyền ứng suất trong cánh

 Các d ạng tải trọng

Trong thiết kế, có rất nhiều nhiệm vụ cần được thỏa mãn trong quá trình này, đặc biệt là việc phân loại tải trọng trong khi đảm bảo được tiêu chí đạt được khối lượng thấp nhất đồng thời vẫn giữ được tính ổn định của kết cấu Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những cách hữu hiệu giúp đỡ các nhà thiết kế dự đoán những tình huống không ngờ được và đánh giá hệ số an toàn Có năm dạng ứng suất chính là: (A) kéo, (B) nén, (C) xoắn, (D) cắt, (E) uốn

Hình 1.19 Các dạng ứng suất chính [10]

Ứng suất kéo là dạng ứng suất chống lại xu hướng bị kéo thành từng phần Các dạng ứng suất này xuất hiện ở máy bay tại những vị trí lực đẩy của máy bay ngược hướng với lực cản do máy bay sinh ra

• Ứng suất nén là dạng ứng suất kháng lại lực nén Loại ứng suất này suất hiện ở những vị trí đầu 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 liệng, chuyển hướng, động cơ có xu hướng thay đổi

độ lớn lực đẩy để tạo mô-men trong khi các tấm điều khiển của máy có xu hướng làm ổn định lại máy bay

• Ứng suất cắt là trạng thái chống lại sự trượt lẫn nhau của các lớp vật liệu đối với các lớp liền kề nó Thông thường vật liệu thường giống nhau về ứng suất kéo và nén Trong các phần của máy bay ở những vị trí xung yếu như đinh tán, ốc vít là nơi chịu lực cắt chính Việc sử dụng vật liệu composite cũng có chịu tác động từ dạng ứng suất này, khi các lớp vật liệu được kết nối với nhau bằng keo hoặc nhựa

• Ứng suất uốn là sự kết hợp của ứng suất cắt, kéo và nén Các máy bay phải chịu tải trọng của lực uốn thường xuyên trong suốt quá trình hoạt động do lực nâng sinh ra trên các bề mặt điều khiển và trọng lực

Trong thực tế, các thành phần cấu trúc của máy bay thường là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại ứng suất trên tạo thành những bài toán phức tạo và khó có thể tính toán thủ công Chính vì thế hầu hết các kết quả về mô phỏng và thực nghiệm trong nghiên cứu này chỉ sử dụng những điều kiện biên tối giản giúp làm giảm khối lượng tính toán và tăng độ tin cậy Ngoài ra để thiết kế máy bay một cách hiểu quả hơn, một số chỉ tiêu phụ được thêm vào như:

• Giảm kích thước và khối lượng máy bay

• Giảm số lượng các thành phần lắp đặt

• Ứng dụng tối đa công nghệ tiên tiến vào sản xuất

Xác định hương tiếp cận và mục đích nghiên cứu

• Tính c ấp thiết của đề tài

Với xu hướng ngày càng ứng dụng nhiều vật liệu composite vào sản xuất máy bay đặc biệt là máy bay không người lái loại nhỏ cho thấy tương lai phát triển của loại vật liệu này Đây sẽ là đối thủ cạnh trạnh mạnh đối với các dạng vật liệu gốc kim loại Hiện nay các máy bay không người lái dạng nhỏ có rất ít những nghiên cứu về mặt kết cấu và vật liệu, chủ yếu là kế thừa từ các nghiên cứu trước do vậy thiếu tính ứng dụng Trong đó các máy bay không người lái dạng nhỏ lại có tiềm năng khai thác rất lớn trong cả lĩnh vực dân sự và quân sự

Sự khác biệt của UAV có kích thước nhỏ với các loại máy bay khác là nó cần được tối ưu về mặt khối lượng, bởi vì lực nâng trên cánh được tạo ra rất giới hạn

vì hạn vế về mặt kích thước Hơn thế nữa, việc giảm khối lượng cũng góp phần làm tăng thời gian bay và trần bay bởi vì lực từ hệ thống đẩy cần thiết để duy trì chế độ bay bằng có thể sẽ nhỏ hơn Vì thế kết cấu và vật liệu cần được lựa chọn

kỹ lưỡng hơn Các vật liệu vừa phải đảm bảo độ bền vừa đủ và cần có khối lượng nhỏ nhất

Vì thế việc sử dụng kết hợp vật liệu composite cho máy bay UAV loại nhỏ

là cần thiết vì tính hợp lí và nhiều tính năng ưu việt của vật liệu dạng này Sử

với các UAV dạng 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 cấu trong khi gỗ balsa giúp định hình và chia sẻ một phần ứng suất cho kết cấu Cụ thể vật liệu cốt được lựa chọn để nghiên cứu là vật liệu cacbon vì tỉ lệ độ cứng trên khối lượng cao Nền polymer epoxy được ứng dụng nhiều trong hàng không cũng sẽ được sử dụng để nghiên cứu

• M ục đích nghiên cứu

Từ những điểm đã được nhấn mạnh ở trên, nghiên cứu này đào sâu vào việc thiết kế và kiểm tra một vài thông số cơ bản để khảo sát đặc tính cơ khí của các thành phần cacbon và Balsa Điều này có thể trợ giúp cho việc thiết kế UAV loại nhỏ sử dụng loại kết cấu và vật liệu này với mục đích cuối cùng là làm giảm khối lượng tối đa của thành phần vật liệu cho máy bay không người lái dạng nhỏ nhưng vẫn đảm bảo được độ cứng vững Trong nghiên cứu lớp vỏ được sử dụng

để chịu ứng suất là chính và thêm các thành phần hỗ trợ chịu lực dọc là gỗ balsa Thành phần gỗ balsa sẽ được chia nhỏ thành nhiều phần và phân bố đều trên toàn

bộ mặt trong lớp vỏ của kết cấu Để đánh giá được ảnh hưởng của phần gỗ balsa tăng cứng, thể tích của lớp balsa sẽ được giữunguyên với giả thuyết là khối lượng riêng của gỗ là không đổi trong khi thực hiện nghiên cứu Từ đó có thể tạo ra các phân bố balsa khác nhau bằng cách chia nhỏ diện tích mặt cắt của các thanh balsa Việc này có thể làm ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất lên toàn bộ bề măt lớp vỏ Cấu trúc hình trụ sẽ được sử dụng để chế tạo mẫu thử cũng như mô phỏng số Lí do chủ yếu để chọn hình trụ cho vật mẫu xuất phát từ một số máy bay UAV loại cho đều như dụng dạng hình trụ để chế tạo thân như Scan Eagle của tập đoàn Boeing (hình 1.19) Kết cấu hình trụ là phổ biến nhất trong chế tạo máy bay vì có khả năng chịu áp suất đều trên bề mặt Kích thước được chọn ngẫu nhiên để tạp điều kiện thuận lợi nhất cho việc chế tạo thực nghiệm sau này bằng phương pháp hút chân không Vì để nghiên cứu tổng quan nhất về sự ảnh hưởng

của phân bố ứng suất khi thay đổi phân bố của phần vật liệu balsa nên đường kính của vật mẫu được chọn ngẫu nhiên Và vì tính tuyến tính của vật liệu, khi ta thay đổi kích thước những giả định rằng khối lượng riêng của các vật liệu là không đổi trong suốt các quá trình mô phỏng lẫn thử nghiệm nên có thể nội suy tuyến tính từ kết quả của các mẫu mô hình thử nghiệm và mô phỏng

Hình 1.20 UAV Scan Eagle- boeing

• Xác định thông số và phân tích vật liệu đã được lựa chọn là cacbon/epoxy và balsa trước khi tiến hành mô phỏng Đánh giá các vật liệu dựa theo giản đồ ứng suất-biến dạng đặc trưng cho từng vật liệu

• Sử dụng các phần mềm phụ trợ để tiến hành mô phỏng và nghiên cứu Việc này sẽ làm giảm khối lượng tính toán và đưa ra một kết quả trực quan nhất cho xử phân bố ứng suất trên toàn kết cấu

• Thực nghiệm để xác nhận lại kết quả định tính của mô phỏng Trong quá trình chế tạo vật mẫu, do khó khăn về mặt tìm mua vật liệu nên thông số vật liệu được sử dụng để mô phỏng và thí nghiệm sẽ có sự chênh lệnh tương đối lớn Do đó các kết quả kiểm nghiệm được sẽ chỉ mang tính chất định tính để đánh giá được tính đúng đắn của phần mô phỏng

• Cung cấp kết quả và phân tích các kết quả đã đạt được thể giải thích các hiện tượng một cách logic và tin cậy hơn

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

kế Những số liệu có thể cấp dữ liệu cho kĩ sư thiết kế để trích xuất và tham khảo khi tiến hành thiết kế các máy bay UAV nhỏ phục vụ cho nhiều mục đích

XÂY D ỰNG MÔ HÌNH, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ

PHỎNG Quy trình th ực hiện mô phỏng

Hình 2.1 Quy trình tiến hành mô phỏng Quy trình trên thể hiện các bước tiến hành khảo sát, sau đó kết hợp với cơ

sở dữ liệu về vật liệu để tiến hành mô phỏng và so sánh kết quả Cuối cùng là đưa ra thông số cho thực nghiệm

đó có phương pháp phần tử hữu hạn Một hệ xấp xỉ và hệ các PDE được thiết lập dựa trên thuyết rời rạc hóa Để tăng độ chính xác cho các tính toán, các định luật

bảo toàn sẽ được áp dụng như bảo toàn khối lượng, năng lượng, động lượng… Bước đầu tiên đó là xác định số các PDE và miền tính toán Tiếp theo đó là rời rạc hóa mô hình tính toán thành các phần nhỏ chúng ta gọi là phần tử Sau đó là

áp dụng các điều kiện biên [11]

AT=b [2.1]

Trong đó: T- Hệ số chưa biết

A- Ma trận hệ thống cấp n b- Vector hàm phi tuyến của T

Ma trận A thường liên quan đến ma trận độ cứng Sau khi rời rạc hóa, việc kết hợp các phần tử lại một cách có hệ thống cũng cần được chứ ý để đưa ra kết quả cuối cùng

Hình 2.3 Ứng dụng FEA để mô phỏng kết cấu chi tiết càng máy bay

Ở bước trên phương trình của các phần tử được đơn giản hóa sao cho sát với các phương trình PDE nhất Một phương trình phức tạp sẽ được chia nhỏ thành tổng hợp của các phương trình đơn giản hơn và cố gắng sao cho sai số giữa các lần giải phương trình đạt gần đến không Sau khi tính toán hoàn thành, các kết quả nhỏ sẽ được kết hợp lại qua những phương pháp chuyển đổi hệ trục tọa

độ thành một hệ tọa độ duy nhất

Hình 2.4 Rời rạc hóa mô hình chân vịt tàu thủy

tử khác cũng được dùng để mô tả mô hình một cách chính xác nhất

Hình 2.6 Các phần tử dạng bậc 2 của phần tử có cấu trúc

Xây d ựng mô hình

Sau khi chọn phương pháp coi ứng suất hay chuyển vị là các biến để tính toán, bước tiếp theo là xây dựng các mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị Điều này là cần thiết để tính toán ứng suất của mẫu cái sẽ tuân thủ theo định luật

σx = Eεx [2.2]

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

và là một số không thứ nguyên theo x và E là mô đun đàn hồi đơn vị Pa hoặc psi Các hệ cân bằng được áp dụng 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 nhỏ trước đó Quá trình này yêu cầu ma trận chuyển để định hướng lại hệ quy chiếu của các ma trận thành phần thành một hệ tọa độ thống nhất Đây cũng

là thời điểm các điều kiện biên được áp dụng

Phương trình Hooke [1.2] cho vật liệu trực hướng được rút gọn thành các thành phần dưới đây

C12

C22

C23000

C13

C23

C33000

000

C4400

0000

C550

00000

Đối với vật liệu đẳng hướng như sắt hoặc nhôm với vô hạn mặt phẳng đối xứng nên chỉ yêu cầu hai biến độc lập tuyến để mô tả đặc tính đàn hồi của vật liệu đó là: Young’s modulus E và hệ số Poát-xông υ [11]

G = E2(1+υ) [2.6]

Tương tự như vật chỉ cần hai phần tử trong ma trân độ cứng [2.4] để mô tả phương trình kết cấu, C11 và C12:

[ ]

31 21

32 12

νν

23 12

νν

νν

2 23 11

2 3

21 31 23 12

2 3

31 21 32 13

2 3 2 13 22

1 3 2 12 33

Thông số vải cacbon

Theo nghiên cứu phía trên, các hệ số kỹ thuật được sử dụng theo bảng 2.1 trong đó E11, E22, E33 là các mô-đun đàn hồi chính theo các phương 1, 2 và 3 và các mô-đun cắt là G11, G22, G33, hệ số poát-xông υ11, υ22, υ33

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật dùng để mô phỏng [13]

Vật Liệu E11

GPa

E22GPa

E33GPa

G12GPa

G13GPa

G23GPa

là rất nhỏ trái ngược với các mặt phẳng khác