ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY BAY

Hiện nay thiết bị bay không người lái UAV ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, cho cả mục đích quân sự và dân sự. UAVs có thể được dùng để theo dõi, tuần tiễu, trinh sát, dập lửa v.v... Đặc trưng chung của loại thiết bị bay này là vận tốc nhỏ và thời gian bay trên không rất dài, có thể tính bằng ngày. Hơn nữa để hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau thì độ bền của UAV cũng rất quan trọng, do đó việc kiểm nghiệm bền của UAV là điều bắt buộc và cần thiết. UAV có nhiều bộ phận, nhóm chọn cánh máy bay để kiểm nghiệm tính toán Do cánh là bộ phận tạo lực nâng trực tiếp cho máy bay nên nó sẽ chịu momen, lực cắt,.. lớn tác động vào. Hơn nữa cánh cũng là nơi tiếp xúc trực tiếp với dòng khí khi UAV bay, nên nó cũng chịu những yếu tố của dòng khí,… Thiết kế kết cấu cánh là việc đầu tiên, tiên quyết để chế tạo cũng như kiểm nghiệm cánh UAV, việc thiết kế với bao nhiêu thanh xà, rib, spar,… ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tính toán bền. Các phương án sử dụng các vật liệu khác nhau được nhóm đưa ra để kiểm nghiệm bền bởi các vật liệu khác nhau như gỗ hay hợp kim nhôm. Từ những vật liệu khác nhau cho các bộ phận ta có thể thấy được sự bền thông qua các vật liệu khi chế tạo cánh UAV.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

─────── * ───────

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY

BAY THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ KIỂM BỀN CÁNH UAV

Sinh viên MSSV Nguyễn Quang Huy 20151684 Hoàng Trọng Nghĩa 20162650 Nguyễn Đức Chí Thành 20153390

MỤC LỤC

TÓM TẮT 3

1 MỞ ĐẦU 3

2 ĐẶT BÀI TOÁN 4

2.1 Cơ sở lý thuyết 4

2.2 Mô phỏng kết cấu cánh UAV 4

3 TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CÁNH 5

1 Xây dựng mô hình hình học: 6

2 Chia lưới 9

Cài đặt các thông số vật lý và điều kiện biên 11

3 Chạy mô phỏng 12

4 Đánh giá kết quả 13

4 THIẾT KẾ KẾT CẤU CÁNH 18

4.1 Thiết kế kết cấu cánh 18

4.2 Thiết kế các chi tiết: 18

4.3 Thiết kế vỏ cánh: 24

4.4 Lắp ghép các chi tiết: 24

5 MÔ PHỎNG KIỂM BỀN 25

5.1 Chọn vật liệu (Engineering Data) 25

5.2 Hình học (Geometry) 26

5.3 Chia lưới 26

5.4 Điều kiện biên 28

5.5 Tính toán (các trường hợp vật liệu) 30

6 KẾT LUẬN 35

2

TÓM TẮT

Báo cáo nghiên cứu khả năng chịu tải trọng của cánh máy bay UAV dạngthẳng trong quá trình hoạt động Nghiên cứu khí động tác động lên cánh như ápsuất cũng như lực khí động, thiết kế kết cấu cánh từ đó kiểm nghiệm bền của cánh

và đưa ra kết luận, đánh giá

1 MỞ ĐẦU

Hiện nay thiết bị bay không người lái UAV ngày càng được sử dụng rộng rãitrong nhiều lĩnh vực khác nhau, cho cả mục đích quân sự và dân sự UAVs có thểđược dùng để theo dõi, tuần tiễu, trinh sát, dập lửa v.v Đặc trưng chung của loại

Do cánh là bộ phận tạo lực nâng trực tiếp cho máy bay nên nó sẽ chịu momen, lựccắt, lớn tác động vào Hơn nữa cánh cũng là nơi tiếp xúc trực tiếp với dòng khíkhi UAV bay, nên nó cũng chịu những yếu tố của dòng khí,…

Thiết kế kết cấu cánh là việc đầu tiên, tiên quyết để chế tạo cũng như kiểmnghiệm cánh UAV, việc thiết kế với bao nhiêu thanh xà, rib, spar,… ảnh hưởng rấtnhiều đến quá trình tính toán bền

Các phương án sử dụng các vật liệu khác nhau được nhóm đưa ra để kiểmnghiệm bền bởi các vật liệu khác nhau như gỗ hay hợp kim nhôm Từ những vậtliệu khác nhau cho các bộ phận ta có thể thấy được sự bền thông qua các vật liệukhi chế tạo cánh UAV

2.2 Mô phỏng kết cấu cánh UAV

Thiết kế và kiểm bền kết cấu cánh UAV với cấu hình và các thông số như sau:

Hình 1: Kích thước và cấu hình cánh

Profile cánh cho trước: EPPLER 212

4

Hình 2: Profile Eppler 212

Đối tượng nghiên cứu là cánh UAV có profile là EPPLER 212, cánh thẳng,sải cánh 6m, góc đặt cánh là 4 độ (Hình 1) Ta nghiên cứu cánh do cánh chịu tácđộng lực chính của cánh máy bay Kết cấu chịu lực của cánh được mô phỏng chitiết để đảm bảo việc tính toán cũng như kiểm nghiệm kết cấu Các bộ phận củacánh như vỏ hay các thanh xà, spar, stringers, xà dọc, xà ngang, được làm bằng

Trong quá trình hoạt động của máy bay, sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và

dưới sẽ tạo ra lực nâng cho cánh Chính sự lực nâng này đồng thời gây ra ứng suất,biến dạng và chuyển vị trong kết cấu của cánh Do đó, sự phân bố áp suất trêncánh là một thông số vô cùng quan trọng và cần thiết để thiết kế kết cấu cánh máybay

Sự phân bố áp suất trên cánh phụ thuộc vào đặc điểm hình học của cánh, gócđặt cánh, tốc độ của máy bay, xoáy đầu mút cánh… Nhóm sẽ tiến hành mô phỏngcánh để lấy áp suất phân bố này

 Các bước thực hiện

1 Xây dựng mô hình hình học:

Mô hình cánh nhìn tổng quan

Mô hình cánh nhìn theo trục y

6

bộ cánh, đồng thời, khoảng cách giữa các mặt bên của khối và cánh phải thích hợp

để tránh bị ảnh hưởng

Hình 3: Mô hình cánh trong DesignModeler

Hình 5: Lưới có cấu trúc chia bằng ICEM

Hình 7: Chất lượng lưới theo tiêu chí determinant 2x2x2

Các bề mặt sẽ được đặt tên để thuận tiện cho việc thiết lập điều kiện biên ở bướcsau

Hình 8: Các mặt được đặt tên

Cài đặt các thông số vật lý và điều kiện biên

Phương pháp giải mô hình là phương pháp dựa trên áp suất (pressure-based)

bởi dòng chảy có vận tốc 25m/s tức là dòng dưới âm

Mô hình rối được sử dụng trong bài là mô hình Relizable K-epsilon với phương

pháp Enhanced Wall Treatment

Lưu chất là không khí với các thông số:

Khối lượng riêng 1.225 kg/m3

Độ nhớt động học 1.7894e-5 kg/ms

Điều kiện biên được đặt theo bảng dưới đây:

Mặt Loại biên Điều kiện

BOXOUTLET

INLET

BOX Wall No slip wall

SYMMETRY symmetry symmetry

Lựa chọn phương pháp rời rạc hóa và sai số hội tụ

Phương pháp rời rạc hóa phương trình vị phân được lựa chọn là Coupled,second order upwind để đạt kết quả mô phỏng chính xác nhất

Sai số hội tụ được đặt bằng 10-6 tại tất cả các ẩn, ngoại trừ ẩn continuity bằng 10-4

0 200 400 600 800 1000 12000

50100

Hình 11: Đường dòng qua cánh

12

Có thể thấy mô hình đã mô phỏng được hiện tượng đường dòng qua cánh, đặc biệt

là hiện tượng xảy ra xoáy đầu mút tại wing tip Xoáy đầu mút này ảnh hưởng đếnmột phần lực nâng tác dụng lên cánh

Hình 12: Xoáy tại khu vực đầu mút cánh

Hình 13: Áp suất lần lượt tại mặt trên và mặt dưới của cánh

Mô hình đã chỉ ra được sự thay đổi áp suất trên hai bề mặt cánh Mặt dưới cánh ápsuất phân bố đồng nhất, ngoại trừ khu vực đầu mũi cánh áp suất bị giảm đi do tácdụng của xoáy Trong khi đó, mặt trên cánh áp suất thay đổi theo đường phi tuyến.Chính điều này đã tạo ra lực nâng cho cánh

Giá trị lực nâng tác dụng lên cánh được xác định bằng cách tạo một biến lực theophương y đặt tại cánh Kết quả như hình bên dưới:

Hình 14: Lực nâng tác dụng lên cánh

Như vậy giá trị lực nâng bằng 343.215 N Để biết được giá trị này có chính xácvới thực tế hay không, nhóm tiến hành tính toán lý thuyết lực nâng trên cánh.Dựa trên các thông số cánh: profile Eppler 212, góc tấn 4 độ, tra đồ thị lực nângtheo góc tấn được hệ số lực nâng C L=0.85

4 THIẾT KẾ KẾT CẤU CÁNH

4.1 Thiết kế kết cấu cánh

Nhóm thực hiện xây dựng hình học kết cấu bằng phền mềm SOLIDWORKS Cácbước thực hiện

 Xây dựng từng bộ phận của cánh như rib, spar, dầm,…

 Lắp ghép các chi tiết kết cấu hoàn chỉnh

 Xuất bản vẽ sang ANSYS Mechanical để mô phỏng

4.2 Thiết kế các chi tiết:

Khung sườn cánh được vẽ từ profile Eppler 212 Nhóm thiết kế tổng cộng 10ribs Trong đó, 6 ribs bằng nhau nằm ở khu vực cánh có tiết diện không đổi, 4 ribstiết diện thay đổi nằm ở khu vực cánh hình thang

Các thông số của cánh cũng như các chi tiết được mô tả chi tiết trong Hình

Trong đó

2

54

3

1

1 Spar

18

4 Spar

6 Rip Có 5 thiết diện, chiều dày mỗi rib là

10mm

(6) Hình ảnh các rib với các tiết diện khác nhau:

Có tất cả 5 loại thiết diện của các rib khác nhau có độ dài và thiết diện nhỏ dầntheo chiều mũi tên xanh

Mặt cắt các profil trên kết cấu cánh

Khoảng cách chi tiết của từng vị trí kết cấu bên trong cánh:

¼ dâycung

10mm

1200

4 =300 mm1800

5 =360 mm

Từ kết cấu hoàn chỉnh nhóm tiến hành lắp ghép tạo thành kết cấu hoàn chỉnh

Từ kết cấu bên trong hoàn chỉnh nhóm lắp vỏ vào để hoàn chỉnh cánh Hình vẽ

sẽ được xuất sang modul ANSYS Mechanical và xử lý trong môi trườngDesignModeler

 Nhóm sử dụng chủ yếu hai vật liệu chính là gỗ và hợp kim nhôm Ta sẽ thay đổihai vật liệu này lần lượt vào vỏ cánh, các thanh xà, rib,… để tiến hành so sánh vàkiểm nghiệm bền với mỗi vật liệu khác nhau.

 Các thông số vật liệu của gỗ và hợp kim nhôm hiển thị chi tiết trong bảng sau:Vật liệu Gỗ Balsa Hợp kim nhôm Đơn vị

Isotropic Elasticity

Young’modulus 7.1E+10 5.6856E+08 Pa

Bulk Modulus 6.6908E+10 7.8967E+08 Pa

Shear Modulus 2.6692E+10 2.06E+08 Pa

Altemating Stress R-Ratio

Tensile Yield Strength 2.8E+0.8 1.38E+07 Pa

Compressive Yield Strength 2.8E+0.8 1.39E+07 Pa

Tensile Ultimate Strength 1.4E+07 Pa

5.3 Chia lưới

Nhóm thực hiện chia lưới hai bộ phận chính là bề mặt và kết cấu bên trong donhóm thiết kế hai bộ phận là vỏ và kết cấu trong riêng biệt rồi mới ghép vào nhau

 Chia lưới bề mặt cánh

 Chia lưới kết cấu bên trong

Ảnh chia lưới kết cấu bên trong

26

Vị trí lưới 1 sau phóng to

Vị trí lưới 2 sau khi phóng to

5.4 Điều kiện biên

 Áp tải: Áp tải khí động đã thực hiện mô phỏng trong các bước mô phỏng khí động

Từ tải khí động ta xác định được lực theo từng phương:

o X-Component: 9.3914 N

o Y-Component: 343.21 N

o Z-Component: 1.1901 N

 Đặt trọng lực: Nhóm đặt vào tâm của cánh

 Đặt ngàm: Nhóm đặt ngàm vào đầu có rib thiết diện lớn do đây là vị trí

sẽ nối với thân UAV

28

5.5 Tính toán (các trường hợp vật liệu)

Tính kết cấu bỏ qua trọng lực: tất cả là gỗ, ở trong là Al

Tính đến trọng lực: tất cả gỗ, thay spar thành nhôm, thay spar cả rib thành nhômChuyển vị, ứng suất, biến dạng, hệ số an toàn

5.5.1 Mô phỏng sơ bộ (bỏ qua trọng lực)

- Dùng vật liệu bằng gỗ:

Chuyển vị của cánh

Vị trí chịu biến dạng lớn

Gốc cánh chịu ứng suất, biến dạng lớn nhất

Vật liệu bằng Nhôm cho chuyển vị ít hơn (227mm tương đương 7.56 % độdài) Ứng suất biến dạng ở đuôi cánh vẫn lớn, tuy nhiên đảm bảo hệ số an toàn chohầu hết các bộ phận của kết cấu.

5.5.2 Tính toán chi tiết

Nhóm sẽ tính chi tiết tải lên cánh khi có trọng lực để xác định tải thật lêncánh, thay dần vật liệu Nhôm vào các kết cấu và kiểm bền

5.5.2.1 Thanh spar nhôm, rib gỗ

- Khối lượng kết cấu: 4.77 kg

Hệ số an toàn: tại gốc cánh đạt hệ số an toàn cho phép với vật liệu, những khu vực

có hệ số an toàn thấp là ở đuôi cánh:

Khối lượng kết cấu: 9.87 kg

Bộ phận Vật liệu Khối lượng (kg)

Ứng suất lớn nhất tại đuôi cánh

- Hệ số an toàn:

6 KẾT LUẬN

Việc dùng vật liệu khác nhau ảnh hưởng rất nhiều đến kiểm bền kết cấu cánh Vớithông số cánh đã cho, nhóm đưa ra kết luận dùng các thanh spar ngang bằngnhôm, và các thanh dọc rib bằng nhôm cho kết cấu vững hơn dùng gỗ Tuy nhiênkhối lượng của cánh tăng lên gần gấp đôi Với tải khí động là khoảng 35 kg thì vẫn

có thể phù hợp với khối lượng cánh với kết cấu nhôm là 10kg

36