Báo cáo tải trọng và độ bền kết cấu máy bay

Cánh máy bay có vai trò tạo lực nâng, lực cản và tạo sự ổn định cho máy bay. Sau khi tiến hành tính sơ bộ và giảm khối lượng cho kết cấu, ta tiến hành mô phỏng cho kết cấu dưới tải khí động. Qua phương pháp mô phỏng bằng phần tử hữu hạn ta có thể tính toán chính xác và cụ thể hơn tải trọng, biến dạng, ứng suất, chuyển vị cũng như hệ số an toàn cho kết cấu.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

──────── * ───────

BÁO CÁO TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU

VẬT BAY

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Chí Thành

Nguyễn Quang Huy Hoàng Trọng Nghĩa Nguyễn Thành Trung

Lớp KTHK – K60

HÀ NỘI, 06-2019

MỤC LỤC

Trang 2

I Tổng quan về kết cấu cánh 2

1 Giới thiệu 2

1.1 Vai trò 2

1.2 Các biên dạng cánh 2

1.3 Các kiểu đặt cánh 3

1.4 Định dạng phối trí cánh 3

1.5 Tỷ số dạng 4

1.6 Góc đặt cánh 4

2 Vật liệu 4

2.1 Sử dụng gỗ trong thiết kế máy bay đầu tiên 4

2.2 Kim loại 5

2.3 Vật liệu Composite 5

3 Kết cấu cánh 5

3.1 Kết cấu chung 5

3.2 Thanh xà 6

3.3 Khung sườn cánh 7

3.4 Vỏ cánh 8

3.5 Kết cấu tổ ong 9

4 Tải trọng tác dụng lên máy bay 9

II Tính toán tải trọng tác động lên cánh 11

1 Cánh có kết cấu thanh xà dọc và cánh có kết cấu hộp dầm 11

1.1 Thanh xà của cánh hình thang 12

1.2 Kết cấu xà hở và kín 15

1.3 Kết cấu xà có khu vực nẹp dọc thân thay đổi 20

2 Kết cấu cánh 24

2.1 Kết cấu 3 boom 24

2.2 Uốn 25

2.3 Xoắn 26

2.4 Ứng suất cắt 29

2.5 Tâm cắt 35

2.6 Cánh thuôn nhọn 35

2.7 Độ lệch 38

III Quy trình thiết kế cánh 40

1 Thiết kế hình học 40

Trang 3

1.1 Lựa chọn airfoil 40

1.2 Lựa chọn thông số hình học của cánh 40

2 Tính toán tải khí động 41

2.1 Tải khí động 41

2.2 Trọng lượng và các hệ số tải 41

3 Thiết kế kết cấu 41

3.1 Chọn vật liệu 42

3.2 Thiết kế sơ bộ 42

3.3 Tối ưu hóa kết cấu 42

3.4 Chạy mô phỏng để kiểm tra kết cấu 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang 4

Ảnh 1 các kiểu biên dạng cánh 3

Ảnh 2 Các kiểu đặt cánh 3

Ảnh 3 Phối trí cánh 4

Ảnh 4 Tỷ số dạng 4

Ảnh 5 Góc đặt cánh 4

Ảnh 6 Các cách kết nối cánh với thân 6

Ảnh 7 Kết cấu kiểu box beam 6

Ảnh 8 Hình dạng thanh xà gỗ 7

Ảnh 9 Hình dạng thanh xà bằng các loại vật liệu khác 7

Ảnh 10 Kết cấu khung sườn cánh 8

Ảnh 11 Thanh chống trong kết cấu khung sườn 8

Ảnh 12 Vỏ cánh 9

Ảnh 13 Kết cấu tổ ong 9

Ảnh 14 Thông số cánh của một số loại máy bay 10

Ảnh 15 Tải khí động trên cánh 41

Ảnh 16 Phân bố tải khí động 41

Ảnh 17 Kết cấu cánh 42

Ảnh 18 Các chi tiết kết cấu trên cánh 43

Ảnh 19 Kết cấu được tối ưu 43

Trang 5

I Tổng quan về kết cấu cánh

1 Giới thiệu

I.1 Vai trò

Cánh máy bay có vai trò tạo lực nâng, lực cản và tạo sự ổn định cho máybay

I.2 Các biên dạng cánh

Ảnh 1 các kiểu biên dạng cánh

I.3 Các kiểu đặt cánh

Cánh đặt dưới thân; ngang thân; trên thân; cánh treo

Ảnh 2 Các kiểu đ t cánh ặt cánh

Trang 6

I.4 Định dạng phối trí cánh

Ảnh 3 Phối trí cánh

Trang 7

Gỗ là một trong những vật liệu có tính chất cơ lý đáp ứng các tiêu chí cầnthiết để sản xuất các bộ phận máy bay Vật liệu này có tỷ lệ cường độ trên trọnglượng cao khi được sử dụng trong các cấu trúc gỗ và có khả năng chống lại các điềukiện môi trường bất lợi nếu lần đầu tiên được xử lý bảo quản cụ thể.

Các kim loại được sử dụng trong ngành sản xuất máy bay bao gồm thép,nhôm, titan và hợp kim của chúng Hợp kim nhôm được đặc trưng bởi nhẹ hơn sovới hợp kim thép và có đặc tính chống ăn mòn tốt

Tuy nhiên, hợp kim thép có độ bền kéo lớn hơn, cũng như mô đun đàn hồicao hơn Kết quả là, thép được sử dụng trong các bộ phận chịu lực lớn của máy bay,chẳng hạn như trong thiết kế càng đáp

Titanium cũng được sử dụng trong thiết kế cấu trúc máy bay vì đây là kimloại nhẹ, cứng và chống ăn mòn Vật liệu này được sử dụng trong sản xuất một sốthành phần động cơ, cùng với các hợp kim chịu nhiệt được thiết kế đặc biệt, nhưsiêu hợp kim gốc Niken

Vật liệu composite cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp máy bay

do độ bền, trọng lượng tương đối thấp và khả năng chống ăn mòn

Hợp kim thép và nhôm có thể được sử dụng trong sản xuất khung sườn,trong khi vật liệu composite có thể được sử dụng trong thiết kế bề mặt cánh và các

bề mặt tấm điều khiển

3 Kết cấu cánh

Cánh được nối với thân qua nhiều phương pháp: kết nối trực tiếp với thânhay dùng các thanh chống ở bên ngoài, các thanh chống thường được làm từ thép,tuy nhiên điều đó làm tăng khối lượng của máy bay và gây ra nhiều lực cản

Trang 8

Ảnh 6 Các cách kết nối cánh với thân

Kết cấu bên trong của cánh máy bay được thiết kề với những kết cấu thanhdầm, xà ngang, khung sườn, để giảm khối lượng và tận dụng được các thể tích bêntrong để chứa nhiện liệu, lắp đặt các hệ thống điện, thủy lực để điều khiển, Bề mặtbên ngoài cánh phải được làm nhẵn vì chịu ảnh hưởng trực tiếp từ dòng khí động.Kết cấu này được trải dài từ mép vào đến mép ra của cánh Nhìn chung, kết cấucánh dựa trên các thiết kế cơ bản:

Ảnh 7 Kết cấu kiểu box beam

Trang 9

Các thanh xà là kết cấu cơ bản trong thân cánh, các thanh xà dọc đặt songsong và vuông góc với cánh Chúng được làm từ thép, gỗ, vật liệu composite tùythuộc vào tiêu chí khi chế tạo Tuy nhiên chúng có các kết cấu điển hình như đặc,hộp, rỗng 1 phần hay hình chữ I.

Ảnh 8 Hình dạng thanh xà gỗ

Trong máy bay thương mại và gần lớn các dòng máy bay, dầm chữ I được sửdụng chủ yếu do kết cấu nhẹ và bền

Ảnh 9 Hình dạng thanh xà bằng các loại v t li u khác ật liệu khác ệu khác

Khung sườn là kết cấu chính của cánh, trải dài từ đầu cánh đến gần hết đuôicánh Kết cấu này tạo hình cho biên dạng cánh nên cần có kích thước chính xác

Ảnh 10 Kết cấu khung sườn cánh

Trang 10

Tuy nhiên các dạng kết cấu khung thì yếu khi chịu lực phương ngang nênngười ta cần tăng cường cho các khung này bởi các thanh chống

Ảnh 11 Thanh chống trong kết cấu khung sườn

Vỏ cánh là phần tiếp xúc trực tiếp với dòng khí bên ngoài nên cần được làmnhẵn, vỏ cánh được gắn vào kết cấu cánh bởi các đinh vít Các chỗ kết nối đượcthêm chất dính đặc biệt để nhiên liệu không bị tràn ra ngoài

Ảnh 12 Vỏ cánh

Vỏ cánh được làm bằng hợp kim nhôm tuy nhiên với xu thế phát triển hiệnnay vỏ cánh máy bay được làm từ vật liệu composite do đó là vật liệu nhẹ, bền và ít

bị ảnh hưởng bởi môi trường

3.5 Kết cấu tổ ong

Trang 11

Cấu trúc tổ ong có độ bền tốt, chịu được ứng suất lớn và rất nhẹ Vì cậy kếtcấu tổ ong được dùng trong các tấm điều khiển của bánh lái hướng, spoiler, phanhkhí động của cánh.

Ảnh 13 Kết cấu tổ ong

4 Tải trọng tác dụng lên máy bay

Mỗi loại cánh chịu một tải trọng nhất định của luồng khí hoặc những vật gắntrên cánh, nó có thể tạo lực nâng Trong khí động học , tải trọng cánh là tổng trọng

lượng của một chiếc máy bay chia cho diện tích cánh của nó

Ảnh 14 Thông số cánh của m t số loại máy bay ột số loại máy bay

Trang 12

Ta thấy máy bay bay càng nhanh càng có thể tạo ra lực nâng nhiều hơn chomỗi đơn vị diện tích cánh, Cánh lớn hơn di chuyển nhiều không khí hơn, do đó, mộtchiếc máy bay có diện tích cánh lớn so với khối lượng của nó (tức là tải cánh thấp)

sẽ có tốc độ thấp hơn

Lực nâng L trên một cánh của khu vực A :

và ggia tốc do trọng lực, phương trình đó cho tốc độ v qua:

v2=2 g W s

ρ C L

Do đó, các máy bay có cùng C L khi cất cánh trong cùng điều kiện khí quyển

sẽ có tốc độ cất cánh tỷ lệ thuận với√❑√W s Vì vậy, nếu diện tích cánh của máy baytăng 10% và không có gì thay đổi, tốc độ cất cánh sẽ giảm khoảng 5% Tương tựnhư vậy, nếu một chiếc máy bay được thiết kế cất cánh với tốc độ 150 dặm / giờtăng trọng lượng trong quá trình phát triển thêm 40%

Chim yến mặt đất và chim nước phải có thể chạy hoặc chèo với tốc độ cấtcánh trước khi chúng có thể cất cánh Điều tương tự cũng đúng với một phi công láitàu lượn, mặc dù họ có thể nhận được hỗ trợ từ việc chạy xuống dốc Đối với tất cảnhững điều này, W S thấp là rất quan trọng, trong khi những người qua đường vàchim trú ngụ trên vách đá có thể bay trong không khí với tải trọng cánh cao hơn

II Tính toán tải trọng tác động lên cánh

1 Cánh có kết cấu thanh xà dọc và cánh có kết cấu hộp dầm

Từ chương 15 đến chương 17, chúng ta đã xây dựng lý thuyết cơ bản cho việcphân tích các dầm thành mỏng có tiết diện đóng và mở chịu tải trọng uốn, cắt và

Trang 13

xoắn Ngoài ra, trong chương 19, chúng ta đã thấy các phần của dầm cứng phức tạpcó thể lý tưởng hóa thành các phần dễ phân tích hơn Bây giờ chúng ta có thể mởrộng phân tích này cho các thành phần máy bay thực tế, trong chương này, chúng taxét đến xà dọc cánh và dầm hộp Trong các chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểucách phân tích thân máy bay, cánh, khung, các thanh xà ngang và xem xét ảnhhưởng của các vết cắt ở thân và cánh máy bay.

Như chúng ta đã thấy trong chương 11, các thành phần cấu trúc của máy bayrất phức tạp, thường bao gồm các tấm kim loại mỏng được làm thành cấu trúc cứngbằng sự sắp xệp của các thanh dầm Các cấu trúc này có bậc siêu tĩnh cao và đòihỏi một mức độ đơn giản hóa hoặc lý tưởng hóa trước khi chúng ta có thể phân tích

Do đó, phân tích được trình bày ở đây là gần đúng và mức độ chính xác thu đượcphụ thuộc vào số lượng các giả định đơn giản hóa được thực hiện Một sự phức tạphơn nữa phát sinh, trong đó các yếu tố như hạn chế cong vênh, sự không liên tục vềcấu trúc và tải trọng, và biến dạng cắt đáng kể xuất hiện sau đó ảnh hưởng đến việcphân tích Nói chung, độ chính xác cao chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng cáckỹ thuật dựa trên máy tính, chẳng hạn như phương pháp phần tử ưu việt (xemchương 6) Tuy nhiên, các phương pháp gần đúng đơn giản hơn, nhanh hơn và rẻhơn có thể được sử dụng để tận dụng trong các giai đoạn sơ bộ của thiết kế khi mộtsố giải pháp thay thế cấu trúc có thể đang được nghiên cứu, kỹ thuật dựa trên máytính không có sẵn

Các thành phần cấu trúc chính của máy bay như cánh và thân máy bay thườngđược làm thon dọc theo chiều dài của chúng để có hiệu quả cao hơn về cấu trúc Dođó, các tiết diện cánh được làm giảm cả về dây cung và độ dày dọc theo sải cánh vềphía đầu cánh, về phía đầu máy bay và phần thân máy bay phía sau cabin hànhkhách có kết cấu côn dần để tạo ra hình dạng cấu trúc và khí động học hiệu quả hơn.Việc phân tích các mặt cắt đóng và mở của thanh dầm trong Chương 15 đến

17 giả định rằng các tiết diện này là đồng nhất Do đó, ảnh hưởng của độ côn đốivới dự đoán ứng suất trực tiếp do uốn tạo ra là tối thiểu nếu độ côn nhỏ và tính chấtcủa tiết diện được tính toán tại tiết diện cụ thể đang được xem xét Các phương trình(15.18) đến (15.22) có thể được sử dụng với độ chính xác không cao Mặt khác,

Trang 14

việc tính toán ứng suất cắt trong các thanh dầm chữ I có thể bị ảnh hưởng đáng kểbởi độ côn.

Các bước thực hiện: tìm P, tìm S, tìm q

Ta xét 1 cánh hình thang được đơn giản hóa kết cấu như hình 20.1 Ở trục z,thanh chịu mô men uốn dương Mx và lực cắt dương Sy

Mô men uốn gây ra bởi 2 lực Pz,1 và Pz,2 đều song song với trục z

- Đối với những hệ xà mà thanh chống chịu ứng suất trực tiếp ta có: Pz,1=Mx/hvà Pz,2= -Mx/h

- Trong trường hợp mà bề mặt được cho rằng chịu các ứng suất trực tiếp thì

Pz,1 và Pz,2 được tính bằng cách nhân với ứng suất σ z , 1 và σ z , 2 (được tìm ởphương trình 15.18 và 15.19) với diện tích mặt B1 và B2

Trang 15

Nội lực cắt Sy được tính bởi tổng hợp của lực Sy,w cùng với 2 lực theophương dọc Py,1 và Py,2 Do đó ta có:

h Còn đối với hệ thanh mà các mặt chịu ứng suất trực tiếp, phân bố dòng dòng lực

cắt được tính theo công thức Eq.(19.6) Ta thay Sy thành Sy,w

400 mm2

Nội mô men và lực cắt của cánh tại mặt cắt AA là:

Mx=20 x 1 = 20 kNm Sy= -20 kN

Trang 16

Vì cánh được coi là lý tưởng hóa kết cấu, nên P z ,1=σ z B1 và P z ,2=σ z B2.

Trong đó áp dụng công thức 15.18 với My=0 và Ixy=0 Ta được: σ z=M x y

Thay số ta được S y , w=−14668 N

Dòng lực cắt tại tiết diện AA là:

Trang 17

Bây giờ ta sẽ xem xét trường hợp tổng quát của kết cấu xà theo 2 hướng làdọc theo thanh và theo hướng phân bố của boom và skin( vỏ máy bay), ví dụ thực tếcủa mỗi kết cấu xà như vậy là cánh và thân hoàn chỉnh Mỗi kết cấu xà đều có phần

mở và đóng, ảnh hưởng của tỉ số thon được xác định giống nhau trong cả 2 trườnghợp

Hình 20.4 cho thấy một đoạn ngắn δ z của một kết cấu xà chịu 2 lực cắt S x và

S y theo trục z Sx và Sy là dương theo hướng trong hình đang xét Lưu ý rằng nếukết cấu xà mở, tải trọng cắt sẽ được áp dụng thông qua tâm cắt của nó để không xảy

ra hiện tượng xoắn của kết cấu Ngoài tải trọng cắt kết cấu còn phải chịu themmoment M x và M y, thứ tạo ra ứng suất trực tiếp σ z ở booms và skin, giả sử rằng ở ởboom thứ r có ứng suất trực tiếp theo hướng song song với trục z là σ z , r, thứ đượcxây dựng bằng việc sử dụng phương trình 15.18 hoặc 15.19 Thành phần P z ,r cảu tảitrọng dọc trục P r trong boom thứ r được tính bởi:

B r là khu vực kết cấu mở của boom thứ r

Trang 18

Thêm nữa, từ hình 20.4c ta có:

Kết hợp với công thức 20.9 ta được :

Lực P r dọc trục được tính theo công thức:

Tải trọng cắt Sx và Sy bị tác động bởi các kết quả của lực cắt trong skinpanel và web(gân tăng cường), cùng với các thành phần P x, r và P y , r của tải trọngtrục trong booms, Do đó, nếu S x, w và S y , w là kết quả của dòng cắt trên các skin vàweb và có tổng m boom,

Trang 19

Thay thế 20.13 cho P x, r và P y , r từ các phương thình 20.9 và 20.10, chúng tacó:

Sự phân phối dòng cắt trong kết cấu mở được lấy từ pt 19.6 nới Sx được thaythế bằng S x, w và Sy thay bằng S y , w từ phương trình 20.15 tương tự việc thay thế nhưvậy cho kết cấu kín và công thức 19.11 Trong trường hợp sau, phương trìnhmoment (ct 16.17) yêu cầu sửa đổi do xuất hiện P x, r và P y , r do đó từ hình 20.5 ta có:

Công thức 16.17 trở thành:

Công thức 20.16 có thể áp dụng trực tiếp cho tapered beam chịu tác động củacác lực tương quan với tâm moment như hình, trong vấn đề cụ thể phải đảm bảorằng moment gây ra bởi những lực này được xác định chính xác

Ví dụ 20.2:

Kết cấu trong hình 20.6 thuôn đều về 2 đầu x, yvà mang tải 100kN ở đầu tự

do, Tính toán các lực tác động lên boom và dòng lực cắt ở tường ở vị trí 2m cách

Trang 20

đầu cuối nếu các boom chỉ chịu ứng suất trực tiếp trong khi các tường chỉu chịu ứngsuất cắt, ở mỗi boom diện tích bề mặt các boom ở góc là 900 mm2 còn ở tâm là

1200 mm2

Nội lực ở đoạn 2m cách tính từ đầu dầm là

Kết cấu dầm đối xướng nên I xy=0 do đó phương trình 15.18 giảm còn

Ở đây trong phần kết cấu được thấy ở hình 20.6

Giá trị P z ,r được tính toán từ phương trình (iii) ghi trong cột 2 trong bảng20.1; P x, r và P y , r tính từ phương trình 20.10 và 20.9 và ghi trong cột 5 và 6 Tảitrọng trục Pr ở cột 7 được tính bằng công thức [22+52+62]1 /2 và nó được tính nhưtrong thức 20.12 Moment P x, r và P y , r được tính từ tâm moment đối xứng cùng

Trang 21

với chiều dương là chiều ngược chiều kim đồng hồ như bảng 20.1, P x, r và P y , r

dương khi hoạt động cùng chiều dương của trục x và y, khoảng cách η r và ξ r từ sựtác động của P x, r và P y , r từ tâm moment không có dấu vì vậy việc xác định dấu của

P x, r , η r và P y , r ,ξ r được xác định bằng cách xác định riêng lẻ các hướng của P x, r và

P y , r

Dòng cắt ở tường của mỗi kết cấu xà hiện tại sử dụng phương pháp mô tả ở phần 19.3, vì ở mỗi kết cấu này thì Ixy=0 và Sx= Sx,w=0 phương trình 19.11 giảm còn:

Bây giờ ta cắt một vị trí trên tường, Tường 1-> 6 , kết quả là phần mở của dòng cắt được tính bởi:

Trang 22

Kết quả được ghi trên, phân bố trên hình 20.7, lấy moment ở tâm của trục đốixứng chúng ta có, từ phương trình 20.16

Trang 23

Trong nhiều máy bay, các kết cấu xà, chẳng hạn như cánh mà các diện tíchmặt cắt của nó thay đổi theo chiều dài sải cánh Ảnh hưởng của biến đổi này đếnviệc xác định phân bố dòng cắt không thể xác định, do đó, được tìm thấy bởi cácphương pháp được mô tả trong phần 19.3 giả sử các khu vực nút không đổi Trongthực tế, như chúng tôi đã lưu ý trong phần 19.3, nếu ứng suất nẹp dọc thân khôngđổi bằng cách thay đổi diện tích của mặt cắt ngang, thì không có sự thay đổi trongdòng cắt khi nẹp dọc thân/ nút được vượt qua.

Việc tính toán phân bố dòng cắt trong kết cấu xà có diện tích nẹp dọc thânthay đổi dựa trên phương pháp thay thế để tính toán phân bố dòng cắt được mô tảtrong phần 19.3 và được minh họa ở ví dụ 19.3 Các tải nẹp dọc thân Pz,1 và Pz,2được tính ở hai mặt cắt z1, z2 của kết cấu xà ở một khoảng cách thích hợp Chúngtôi giả định rằng tải ở thanh dầm ngang thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài củanó, để thay đổi tải nẹp dọc thân trên mỗi đơn vị chiều dài của kết cấu xà được đưa

Mx = −100 × 1.9 = −190kNm

Kích thước của phần này có thể dễ dàng tìm thấy theo tỷ lệ và có chiều rộng

= 1,18m và chiều sâu = 0.59m Như vậy, ta tính được:

Ixx = 4 × 900 × 2952 + 2 × 1200 × 2952 = 5.22 × 108 mm4

Tiêu đề	Báo Cáo Tải Trọng Và Độ Bền Kết Cấu Vật Bay
Tác giả	Nguyễn Đức Chí Thành, Nguyễn Quang Huy, Hoàng Trọng Nghĩa, Nguyễn Thành Trung
Người hướng dẫn	TS. Vũ Đình Quy
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Thể loại	báo cáo
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	2,78 MB