Xây dựng mô phỏng đánh giá ơ chế phá hủy của cấu trúc composite của máy bay khi va chạm

Introduce methods for simulating impact of soft body at high velocity.. First, for the verification of the bird model he bird is fired against an Aluminum, t flat plate at a speed of 150

XÂY D NG MÔ PH NG ÁNH GIÁ C CH PHÁ HU C A Ự Ỏ Đ Ơ Ế Ỷ Ủ

C U TRÚC COMPOSITE C A MÁY BAY KHI VA CH M Ấ Ủ Ạ

LU N V N TH C S KHOA H C Ậ Ă Ạ Ĩ Ọ

K THU T C KHÍ Ỹ Ậ Ơ ĐỘNG L CỰ

B GIÁO D C VÀ ÀO T O Ộ Ụ Đ Ạ

TR ƯỜ NG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-

Lã Ti n Thành ế

XÂY D NG MÔ PH NG ÁNH GIÁ C CH PHÁ HU C A Ự Ỏ Đ Ơ Ế Ỷ Ủ

C U TRÚC COMPOSITE C A MÁY BAY KHI VA CH M Ấ Ủ Ạ

NGƯỜI HƯỚNG D N KHOA H C :Ẫ Ọ

TS Lê Th Tuy t Nhung ị ế

Hà N i ộ – 2018

Độ ậ c l p – T ự do – H nh phúc ạ

B N XÁC NH N CH NH S A LU N V N TH C S Ả Ậ Ỉ Ử Ậ Ă Ạ Ĩ

H và tên tác gi lu ọ ả ận v n : ă ……… ………

Đề tài lu n v n: ậ ă ……… ……… ….

Chuyên ngành:……… ……… …

Mã s SV ố :……… ……… …

Tác gi , Ng i h ng d n khoa h c và H i ng ch m lu n v n xác ả ườ ướ ẫ ọ ộ đồ ấ ậ ă nh n tác gi ã s a ch a, b sung lu n v n theo biên b n h p H i ậ ả đ ử ữ ổ ậ ă ả ọ ộ đồng ngày… …………v i các n i dung sau:ớ ộ ……… …

……… …………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

………

Ngày tháng n m ă

Giáo viên h ướ ng d n ẫ Tác gi lu n v n ả ậ ă

CH T CH H I Ủ Ị Ộ ĐỒ NG

L I CAM OAN Ờ Đ

Tôi – Lã Ti n Thànhế , h c viên l p Cao h c K thu t C ọ ớ ọ ỹ ậ ơ khí động l c khoá ựCLC2017B Tr ng ườ Đại học Bách Khoa Hà N i - cộ am k t lu n v nế ậ ă là công trình nghiên c u c a b n thân tôi d i s h ng d n c a ứ ủ ả ướ ự ướ ẫ ủ TS Lê Th Tuy t Nhungị ế – Vi n ệ

b o v :ả ệ

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giáo viên h ướ ng d n ẫ

TS Lê Th Tuy t Nhung ị ế

Trong nghiên c u này,ứ trình bày v l thuy t vaề ý ế ch m c a c th m m v i c u trúc, ạ ủ ơ ể ề ớ ấ

c th là hi n t ng chim âm (birdụ ể ệ ượ đ strike ) vào c u trúc composite sandwich cs ấ ủa mép vào cánh Gi i thi u ớ ệ ph ng pháp mô ph ng va chươ ỏ ạm c a c th m m ủ ơ ể ề ở ậ ố v n t c cao Đầu tiên, xác minh mô hình chim, mô ph ngđể ỏ con chim b b n vào m t tị ắ ộ ấm nhôm ph ng v i t c 150 m/ẳ ớ ố độ s, t m phấ ẳng được c nh ố đị ở ấ ả t t c các c nhạ Phân tích được th c hi n b ng c hai ph ng phápự ệ ằ ả ươ : và Coupled Eulerian Lagrangian và Smooth Particle Hydrodynamic, so sánh và ch n ph ng pháp thích h p ọ ươ ợ Sau ó, đ xác nh n ậ

c a mô hình c u trúc sandwichủ ấ được th c hi n b ng cách mô ph ng b nự ệ ằ ỏ ắ m t qu c u ộ ả ầthép tuy t iệ đố c ngứ lên trên m t t m hình vuông c u trúc sandwichộ ấ ấ Cu i cùng, th c ố ự

hi n mô ph ng chim âm vào mép vào cánh, s d ng hai lo iệ ỏ đ ử ụ ạ lõi khác nhau so đểsánh T t c các môấ ả ph ng u s d ng Abaqus/Explicỏ đề ử ụ it

ABSTRACT OF THESIS

In this study, presents the theory of soft body impact with structure, namely thebirdstrike, into the composite sandwich structure of the leading edge wing Introduce methods for simulating impact of soft body at high velocity First, for the verification

of the bird model he bird is fired against an Aluminum, t flat plate at a speed of 150 m/s, the flat plate is fixed at all ends The analyses are carried out with both methods:and the Coupled Eulerian Lagrangian and the Smooth Particle Hydrodynamic, compare and select the appropriate method Then, the validation of the material model was done by projecting a rigid steel sphere over a square composite sandwich panel Finally, perform a birdstrike simulation with the leadingedge wing, using two res to compare co

L I M Ờ Ở ĐẦ 1U

CHƯƠNG I: T NG QUANỔ 3

1.1 Tai n n trong hàng khôngạ 3

1.2 Ch ng nh n bird strikesứ ậ 4

1.3 Va ch m c a chimạ ủ 5

1.3.1 Va ch m ban uạ đầ 6

1.3.2 Gi i phóng áp su tả ấ 7

1.3.3 Dòng n nhổ đị 8

1.3.4 K t thúc dòngế 9

1.4 Chuy n hóa ng l ngể độ ượ 10

1.5 Th i gian va ch mờ ạ 10

1.6 L c va ch m trung bìnhự ạ 11

CHƯƠNG II: L THUY T 12Ý Ế 2.1 Ph ng pháp mô ph ngươ ỏ 12

2.1.1 Ph ng pháp Lagrangianươ 12

2.1.2 Ph ng pháp Eulerianươ 13

2.1.3 Ph ng pháp Coupled Eulerian Lagrangian (CEL)ươ 14

2.1.4 Ph ng pháp Smooth Particle Hydrodynamics (SPH)ươ 14

2.2 Ph ng trình i u khi nươ đ ề ể 15

2.2.1 B o toàn kh i l ngả ố ượ 16

2.2.2 B o toàn ng l ng tuy n tínhả độ ượ ế 17

2.2.3 B o toàn momem ng lả độ ượng 18

2.2.4 B o toàn n ng l ngả ă ượ 18

2.2.5 Nguyên t c Vitual Workắ 18

2.2.6 Ph ng pháp CELươ 19

2.2.7 Ph ng pháp Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)ươ 21

CHƯƠNG III: MÔ PH NGỎ 23

3.1 Mô hình mép vào cánh 23

3.1.1 Mô hình v t li u composite và tiêu chu n phá h yậ ệ ẩ ủ 24

3.1.2 Mô hình v t li u lõiậ ệ 26

3.2 Mô hình chim 30

3.3 Xác nh n mô hìnhậ 33

3.3.1 C u trúc sandwichấ 33

3.3.2 Ph ng pháp mô ph ngươ ỏ 34

3.4 K T QUẾ Ả 40

3.4.1 Cánh s d ng lõi ACG 1/4ử ụ - 41

3.4.2 Cánh s d ng lõi ACGử ụ -1 43

3.4.3 Cân b ng n ng l ngằ ă ượ 45

3.4.4 So sánh 48

CHƯƠNG IV: K T LU NẾ Ậ 51

TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 52

Hình 1 Báo cáo sô li u v va chệ ề ạm v i ng v t trong hàng không (1990ớ độ ậ -2005) 3

Hình 2: Phác thảo và hình nh th c t c a va ch m ban uả ự ế ủ ạ đầ 6

Hình 3 B t u gi i phóng áp su t:ắ đầ ả ấ 7

Hình 4: Pha giải phóng áp su tấ 8

Hình 5: Pha dòng n nhổ đị 9

Hình 6 Pha k t thúc dòngế 9

Hình 7 Chuy n hóa ể động l ng 10ượ Hình 8 Va ch m v i góc xiênạ ớ 11

Hình 9: Mô t biả ế đổ ủ ướn i c a l i Lagrangian 12

Hình 10 Ph ng pháp Eulerianươ 13

Hình 11 Mô hình trong CEL 14

Hình 12 Mô hình trong ph ng pháp SPHươ 15

Hình 13 V t th tr c và sau bi n d ngậ ể ướ ế ạ 16

Hình 14 L n c n các h t trong SPHậ ậ ạ 21

Hình 15 Mô hình mép vào cánh 23

Hình 16 ng su tỨ ấ -Chuyển v t ng ị ươ đươ 25ng Hình 17 Bi n thiế ệ ạ ủt h i c a hàm chuy n v t ng ể ị ươ đương 25

Hình 18 C u trúc sandwichấ 26

Hình 19 Lõi t ongổ 27

Hình 20 Đường cong t iả - chuy n v c a lõi ể ị ủ t ong khi nén vuông góc t m.ổ ấ 28

Hình 21 Đường ng su tứ ấ - bi n d ng c a lõi t ongế ạ ủ ổ 29

Hình 22 Kích thước mô hình chim 30

Hình 23 Mô hình xác nh n v t liậ ậ ệu 33

Hình 24 Bi u v n t c dề đồ ậ ố ư- v n t c va ch mậ ố ạ 34

Hình 25 Mô hình theo SPH 35

Hình 26 Mô hình theo CEL 35

Hình 27 Chuy n vể ị trong ph ng pháp CELươ 37

Hình 28 Chuy n vể ị trong ph ng pháp SHPươ 37

Hình 29 Các pha va ch m trong CELạ 38

Hình 30 Các pha va ch m trong SPHạ 39

Hình 31 Mô hình với ph ng pháp CEL 40ươ Hình 32: B ng cân b ng n ng l ng tr ng h p lõi ACGả ằ ă ượ ườ ợ -1/4 45

Hình 33 B ng cân b ng n ngả ằ ă l ng tr ng h p lõi ACGượ ườ ợ -1 46

Hình 34 Mô hình kh i cao su b nén gócố ị ở 46

Hình 35: Ch Hourglass trong uế độ ốn thu n túyầ 47

Hình 36 Chuy n vể ị c a xà d c trủ ọ ước (lõi ACG-1/4) 48

Hình 37 Chuy n vể ị c a xà d c trủ ọ ước (lõi ACG- 1) 48

Hình 38 Đường ng su t bi n d ng lõi ACGứ ấ ế ạ -1/4 49

Hình 39 Đường ng su tứ ấ - bi n d ng lõi ACGế ạ -1 49

Hình 40: Kh n ng h p th n ng lả ă ấ ụ ă ượng trong c u trúc sandwich (lõi ACG- ấ 1) 50

Hình 41 Kh n ng h p th n ng lả ă ấ ụ ă ượng trong c u trúc sandwich (Lõi ACG-ấ 1/4) 50

B ng 1: Các yêu c u chim âm cho các b ph n tàu bayả ầ đ ộ ậ 5

B ng 2 C tính c a v t li u CFRP AS4/8552ả ơ ủ ậ ệ 26

B ng 3 C tính v t liả ơ ậ ệu lõi 30

B ng 4 C tính c a AL 6061ả ơ ủ -T6 36

!" Ma tr n àn hậ đ ồi phá h y ủ

#$% #& Mô unđ Young theo hướng s i và ngang sợi, l n l t.ợ ầ ượ '(% ')% '* Lầ ượn l t là tham s thi t h i c a số ệ ạ ủ ợi ề, n n, c tắ

+$& Mô unđ c tắ

,-./ Chuy n v t ng ể ị ươ đương

,-.0 Chuy n v tể ị ương đương khi đạt tiêu chu nẩ phá h yủ Hashin,-.( Chuy n v t ng ể ị ươ đương khi v t li u hoàn toàn phá h yậ ệ ủ

123 Bi n d ng d o t ng ế ạ ẻ ươ đương

123 ỷ ố ếT s bi n d ng d o t ng ạ ẻ ươ đương

1023 Giá tr ban u c a bi n d ng d o t ng ị đầ ủ ế ạ ẻ ươ đương

1(23 Biến d ng d o t ng ạ ẻ ươ đương t i i m phá h yạ đ ể ủ

Ngày nay, v i các ph n m m mô ph ng s d ng ph ng pháp ớ ầ ề ỏ ử ụ ươ ph n t h u ầ ử ữ

h n nh Abaqus/Explicit ã giúp ích r t l n cho công vi c ánh giá thi t k , giúp ạ ư đ ấ ớ ệ đ ế ế

gi m chi phí và th i gian th nghi m Yả ờ ử ệ êu c u v chim âm (birdstrikeầ ề đ s) trong thi t ế

k các b ph n c a tàu bay là m t trong nh ng ế ộ ậ ủ ộ ữ đ ềi u được quan tâm hàng đầu Do v y, ậtrong án c a nàyđồ ủ , em ã tìm hi u, thi t l p mô hình s có kh n ng ánh giáđ ể ế ậ ố ả ă đ c ơ

ch phá h y c a v t li u c u trúc sandwich khi ch u va ch mế ủ ủ ậ ệ ấ ị ạ , c th là mép vào cánh ụ ểkhi b chim âm v n t c cao.ị đ ở ậ ố

Do th i gian tìm hi u c ng nh thi u kinh nghi m tronờ ể ũ ư ế ệ g vi c nghiên c u, tínhệ ứtoán do đó vi c thi u sót và sai khác là không th tránh kh i Vì th ệ ế ể ỏ ế em r t ấ mong được

s góp c a các th y cô và các b n ự ý ủ ầ ạ để giúp hoàn thi n h n n a ph n nghiên c u này.ệ ơ ữ ầ ứ

Em chân thành c m n s h ng d n ch ả ơ ự ướ ẫ ỉ b o nhi t tình c a ả ệ ủ thầy TS Lê Th ịTuy t Nhungế và các th y cô giáo trong b môn K Thu t Hàng Không và V Tr ã ầ ộ ỹ ậ ũ ụ đgiúp em nhi u ki n th c b ích hoàn thành tài này.đỡ ề ế ư ổ để đề

Em xin chân thành c m n!ả ơ

3

1.1 Tai n n ạ trong hàng không

Trong su t vòng i c a tàuố đờ ủ bay luôn có nguy c b nh h ng i t ng bên ơ ị ả ưở đố ượngoài Theo các thông s k thu t hàng không, vố ỹ ậ ới thu t ng "birdstrike", ậ ữ có ngh a là ĩ

va chạm gi a chim và các thành ph n tàu bay, bao g m kính chữ ầ ồ ắn gió, cabin, cánh và

động c Xác su t x y ra tai n n cao h n khu v c sân bay trong giai o n c t cánh ơ ấ ả ạ ơ ở ự đ ạ ấ

và h cánh, c bi t vào bu i sáng s m và chi u mu n Trong nh ng n m g n ây, ạ đặ ệ ổ ớ ề ộ ữ ă ầ đ

m c ứ độ nghiêm tr ng và ọ t m quan tr ng c a va ch mầ ọ ủ ạ chim ã tđ ăng lên do s gia t ng ự ă

đáng k c a v n t i hàng không và t c tàu bay Vi c chim âm là không ch liên ể ủ ậ ả ố độ ệ đ ỉquan đến an toàn bay, mà còn để không ph iả chi tr chi phí b o trì không ả ả đáng k , mà ểcác công ty ph i áp ng s a ch a thi t h i có th x y ra trong tr ng h p x y ra ả đ ứ để ử ữ ệ ạ ể ả ườ ợ ảtai n n ạ Để ể hi urõ hơn b n ch t c a chim âmả ấ ủ đ và ng n ng a nguy c tai n n, ng i ă ừ ơ ạ ườ

ta hình thành nên các y ban qu c t , ch ng h n nh the Birdstrike Committee USA ủ ố ế ẳ ạ ư

Ch riêng M h n 60000 va ch m c a ng v t hoang dã i v i tàuỉ ở ỹ ơ ạ ủ độ ậ đố ớ bay dân d ng ụ

đ đượã c báo cáo t n m 1990 n n m 2005 (Hình 1ừ ă đế ă ) Chi phí hàng năm cho ngành công nghi p hàng không dân dệ ụng c a Hoa K ủ ỳ ước tính v t h n 30000 giượ ơ 5 ờ bay lãng phí và 614 tri u ệ đô la (470 tri u ôệ đ la M chi phí tr c ti pỹ ự ế và 144 tri u ô la M ệ đ ỹchi phí liên quan).[1]

Vì v y ngày càng ậ có nhi u công ty và các c quan chính ph ã b t ề ơ ủ đ ắ đầu các ch ng ươtrình nghiên c u và phát tri n tiên ti n ứ ể ế để đảm b o r ng m i bả ằ ọ ộ ph n c u trúc c a m t ậ ấ ủ ộchi c tàuế bay có th ch u ể ị đượ ảc t i tr ng do tác ng v n t c cao và ít nh t m b o ọ độ ậ ố ấ đả ả

an toàn h cánh c a tàu bay theo ạ ủ tiêu chu n ch ng nh n qu c tẩ ứ ậ ố ế (International Certification Standards)

Hình 1 Báo cáo sô liệ u v va ch m v i ề ạ ớ độ ng v t trong hàng không (1990 ậ - 2005)[1]

4

1.2 Ch ng nh n bird strike ứ ậ s

Ki m s va ch m v iể ự ạ ớ chim được th c hi n theo Quy nh Hàng không Liên ự ệ địbang (FAR) Part 23, 25 và 33, được trình bày trong B ng 1 Trả ướ đc ây các cu c th ộ ửnghi m s d ngệ ử ụ m t con gà s ngộ ố b n i v i kh i l ngắ đ ớ ố ượ thích h p vào c u trúc c n ợ ấ ầ

ch ng nh n Tuy nhiên, ứ ậ để đơn gi n, và các l do v v sinhả ý ề ệ , người ta s d ng mô ử ụhình chim t ng h p có kích th c và trổ ợ ướ ọng l ng phù h pượ ợ

M t ch ng trình ki m traộ ươ ể kính ch n gió i n hình liên quan n m t s c nh ắ đ ể đế ộ ố ảchim ở các v trí khác nhau c a kính ch n gió và khung ị ủ ắ Để có được gi y ch ng nh n ấ ứ ậ

va ch m chimạ cho kính ch n gió và khung, h ph i ch ng ắ ọ ả ứ minh r ng các phi công ằkhông b th ng khi va ch mị ươ ạ , các m nh kính ch n gió, khung máy bay b h ng ho c ả ắ ị ỏ ặcác b ph n n i th t; Và c u tộ ậ ộ ấ ấ rúc h h ng và kính ch n gió ph iư ỏ ắ ả v n gi áp ẫ ữ su t cabin ấsau va ch mạ Các camera t c cao, kho ng 10.000ố độ ả -20.000 khung hình/giây, được

đặt bên trong và bên ngoài bu ng lái ki m tra chi ti t b t k s phá hu nào.ồ để ể ế ấ ỳ ự ỷ

Đố ới v i cánh tàu bay, các ki m tra ể được th c hi n mép vào cánh inboard và ự ệ ởoutboard M c ích ây là chụ đ ở đ để ứng t r ng con chim không xuyên qua mép vào ỏ ằ

c a cánh, ho c th m chí trong tr ng h p xuyên qua, nó s không gây ra thi t h i ủ ặ ậ ườ ợ ẽ ệ ạnghiêm tr ng nào i v i xà d c tr c c a cánh Các t m tách bi tọ đố ớ ọ ướ ủ ấ ệ , d ng h p hình ở ạ ộtam giác, th ng ườ đượ đặc t bên trong v mép vào cánhỏ để làm l ch h ng c a con ệ ướ ủchim, và c ng c c u trúcủ ố ấ

Các cánh đuôi được ki m traể m t sộ ố đ ểi m d c theo mép vào c a cánh n nhọ ủ ổ đị ngang và d c, n i h h i do va ch m d ki n ọ ơ ư ạ ạ ự ế s là cao nh t Giẽ ấ ống nh cánh, m c ư ụtiêu là ng n c n xà d c tr c b h h ng x y ra do va ch mă ả ọ ướ ị ư ỏ ả ạ c a chim ây c ng ủ Ở đ ũ

v y, các t m tách bi t trong vậ ấ ệ ỏ đượ ử ục s d ng để ủ c ng c c u trúc mép vào ố ấ

Đố ớ đội v i ng c , các ki m tra va ch m chim baơ ể ạ o g m vi c ki m traồ ệ ể tác ng độlên ho t ng c a ng c cạ độ ủ độ ơ ũng nh nguyên v n cánh qu t Ho t ng c a ng ư độ ẹ ạ ạ độ ủ độ

c yêu c u ng c ph i ti p t c s n xu t 75% lơ ầ độ ơ ả ế ụ ả ấ ự đẩc y trong 5 phút sau khi va ch m ạkhi n chim chui vào ng c ,ế độ ơ trong B ng 1 Trong ki m tra nguyênả ể v n c a qu t, ẹ ủ ạ

động c không ơ được b t l a ho c b nát sau khi va chắ ử ặ ị ạm v iớ m t con chimộ khoảng 1.8 kg ( 4 lb)

Kh i l ố ượ ng chim

25.631 B ph n n nh ộ ậ ổ đị

(các cánh)

8 lb

VC @ sea level

Ti p t c bay ế ụ

và h cánh an ạtoàn

25.775 (b) Kính ch n gióắ 4 lb

VC @ sea level

Chim không xuyên qua kính

T i a 8 cá th ố đ ể(1.5 lb/ cá th )ể

6

Trong tr ng h p v n t cườ ợ ậ ố va p cao, các ng suđậ ứ ất gây ra bi n d ng d o i v i ế ạ ẻ đố ớ

v t li u m c tiêu và tr ng h p này là va ch m d oậ ệ ụ ườ ợ ạ ẻ Khi ó b n c a v t li u v n đ độ ề ủ ậ ệ ẫ

là y u t chính.ế ố

Cu i cùng, ố đố ới v i v n t c va ch m c c cao, các ng su t t o raậ ố ạ ự ứ ấ ạ r t l n so v i gi i ấ ớ ớ ớ

h n àn h i c a v t li u làm v t phóng ây là ch ạ đ ồ ủ ậ ệ ậ Đ ế độ th y ng l củ độ ự , trong ó v t đ ậphóng ra có th ể được coi nh ch t l ng.ư ấ ỏ Tr ng h p nàườ ợ y ng x c a v t li u ch y u ứ ử ủ ậ ệ ủ ế

do kh i l ng riêng thay vì b n c a v t li uố ượ độ ề ủ ậ ệ

Chim va ch m vào tàu bay khi bay b ng ạ ằ ở tr ng h p này, khi ườ ợ đó con chim không

b b t l i và ph n hị ậ ạ ả ồi do va ch m ạ được xác nh b ng l n con chim và v n t cđị ằ độ ớ ậ ố va

ch mạ ban u ch không ph i b n.đầ ứ ả độ ề

Quá trình th y ng l c nh th là m t quá trình ng l c ch t l ng không n ủ độ ự ư ế ộ độ ự ấ ỏ ổ

định bao g m b n giai o n riêng bi t ồ ố đ ạ ệ

Đối v i va ch m ớ ạ vuông góc c a m tủ ộ hình tr v i t m tuy t ụ ớ ấ ệ đố ứi c ng, dòng x y ả

ra do s c có th coi nh m t chi u, o n nhi t và không thu n ngh ch Áp su t sau ố ể ư ộ ề đ ạ ệ ậ ị ấ

s c (áp su t Hugoniot)ố ấ [3] :

Ở va ch m ban ạ đầu s c b t u ố ắ đầ lan truy n vào v t phóng và t o ra sề ậ ạ óng t tâm ừ

đến các c nh b m t xung quanh c a v t phóng hình tr (hình 2) V n không còn ạ ề ặ ủ ậ ụ ấ đềđược xem xét ở m t chi uộ ề Đối v i va ch m vuông góc c a hình ớ ạ ủ tr , xét trên hai chi u ụ ề

và i x ng.đố ứ

Hình 3 B t ắ đầ u gi i phóng áp su t ả ấ

8

Phân ph i áp l c t a tròn ố ự ỏ được tính b ngằ :

<M = <N9

OM P@LC////////////////////////@ABQC

Kho ng th i gian c a áp su t cao ch trong m t ph n m i mili giây Hình 3 ả ờ ủ ấ ỉ ộ ầ ườ

ch ra sóng h i t t i i m B, tâm c a va ch m Áp su t trên t m ph ng tâm c a va ỉ ộ ụ ạ đ ể ủ ạ ấ ấ ẳ ở ủ

ch m b t u gi i phóng Sau khi sóng t o raạ ắ đầ ả ạ h i t tâm c a s c i m C vùng v t ộ ụ ở ủ ố (đ ể ) ậ

ch t s c hoàn toàn không còn t n t i ấ ố ồ ạ

Hình 4 : Pha gi i phóng áp su t ả ấ

V i v t phớ ậ óng v a l n, dòng n ừ đủ ớ ổ định ph i xả ả y ra sau m t s ph n x c a ộ ố ả ạ ủsóng t a tròn V t phóng v i dài l n h n ỏ ậ ớ độ ớ ơ RS ( dài t i h n) ph i tr i qua hoàn độ ớ ạ ả ảtoàn s gi i phóng s c t i dòng n nh Ch dòng n nh v n t c thự ả ố ớ ổ đị ế độ ổ đị ở ậ ố ấp d ự

Độ ề b n c t c a chim th pắ ủ đủ ấ để áp su t t o ra luôn gây nên dòng Chim có ấ ạ

th xem nh ng x c a ch t l u Sau m t s các ph n x c a sóng t o ra, i u ki n ể ư ứ ử ủ ấ ư ộ ố ả ạ ủ ạ đ ề ệ

c a dòng n nh ủ ổ đị đượ ạc t o ra và n nh áp su t, tr ng v n t c ổ đị ấ ườ ậ ố đượ ạc t o ra

9

Hình 5 : Pha dòng n nh ổ đị

Wilbeck & Rand [3] tính toán áp su t dòng n nh cho va ch mấ ổ đị ạ vuông góc

ở ậ ố v n t c siêu âm Áp su t trung tâm va ch m có th tính x p x :ấ ở ạ ể ấ ỉ

10

1.4 Chuy n hóa ng l ể độ ượ ng

Hình 7 cho th y ng x c a v t phóng (chim) tr c và sau va ch m.ấ ứ ử ủ ậ ướ ạ

Hình 7 Chuy n hóa ể động lượng

Động l ng ban u cượ đầ ủa chim d c theo quọ ỹ đạo là VT với V làm kh i lố ượng và T là

v n t c va ch m ban u T lúc chim ch có v n t c t a tròn ậ ố ạ đầ ừ ỉ ậ ố ỏ sau khi va ch m ng ạ độ

l ng b ng 0 Sau ượ ằ đó, động l ng truy n cho v t ượ ề ậ đích trong khi va ch m Chú r ng, ạ ý ằ

đối v i va ch m theo góc xiên, ch có thành ph n ng l ng vuông góc v i m t ớ ạ ỉ ầ độ ượ ớ ặ

ph ng va ch mẳ ạ được truy n cho v t ích, vàề ậ đ tính b i:ở

W =VT XYZ/ [ ///////////////////////////@AB\C

[ là góc t o b i qu o và m t ph ng ích.ạ ở ỹ đạ ặ ẳ đ

1.5 Th i gian va ch m ờ ạ

Th i gian va ch m là th i gian t lúc v t phóng (chim) b t u ch m vào vờ ạ ờ ừ ậ ắ đầ ạ ật

đích n khi không còn ph n nào c a chim ti p t c đế ầ ủ ế ụ “ch yả ” vào vậ đt ích Đượ địc nh ngh a là Squashĩ -time ]* và tính b i :ở

]* = ^

T///////////////////@AB_C

Với ^ là chiều dài chim, T là v n t c va ch m ban u.ậ ố ạ đầ

Trong tr ng h p va ch m xiên tính b ng ườ ợ ạ ằ ^-(( v iớ :

Trong tr ng h p v t ích là t m ph ng có th bi n d ng, l c truy n t chim ườ ợ ậ đ ấ ẳ ể ế ạ ự ề ừ

ph thu c nhi u vào hình d ng và l n bi n d ng ụ ộ ề ạ độ ớ ế ạ

12

2.1 Ph ươ ng pháp mô ph ng ỏ

M c dù ã có nhi u nghiên c u v tác ng c a c th m m nh ng không có ặ đ ề ứ ề độ ủ ơ ể ề ư

ph ng pháp chu n nào có s n phân tích các v n va ch m ươ ẩ ẵ để ấ đề ạ t ng tácươ c u trúcấ

ch t l ng Hi n t i có b n ph ng pháp mô hình hoá, nh ấ ỏ ệ ạ ố ươ ư Lagrangian, Eulerian, Couuler Lagrangian Eulerian (CEL), và Smooth Particle Hydrodynamics, được s ử

d ng cho các phân tích thi t h iụ ệ ạ do va ch m M i ph ng pháp u có i m m nh và ạ ỗ ươ đề đ ể ạ

đ ểi m y u riêng ế

2.1.1 Ph ươ ng pháp Lagrangian

Ph ng pháp Lagrangian chia thươ ể tích thành m t s l ng l n các hình kh i ộ ố ượ ớ ố

nh ỏ được g i là ph n t , và nhìn chung nó phù h p mô t v t li u r n (solid) ch u ọ ầ ử ợ để ả ậ ệ ắ ịtác ng, khi ó l i s hđộ đ ướ ố ọc di chuy n và b méo nh hình 9ể ị ư

Hình 9 : Mô t bi n ả ế đổ ủ ướ Lagrangian i c a l i

Khác bi t chính v i các ph ng pháp khác là l a ch n h t a tham chi uệ ớ ươ ự ọ ệ ọ độ ế

để mô t s thay i Ph ng pháp Lagrangian s d ng h t a v t li u tham ả ự đổ ươ ử ụ ệ ọ độ ậ ệ đểchi u Các nút n m trong l i liên k t v i các h t v t li u d i m t s giám sát, sau ế ằ ướ ế ớ ạ ậ ệ ướ ộ ự

đó m i nút trong l i thay i theo m i h t riêng bi t Tính ch t v t li u theo th i ỗ ướ đổ ỗ ạ ệ ấ ậ ệ ờgian c ng ũ được mô t t t v i cánh ti p c n này vì kh n ng d dàng ghi l i v t li u ả ố ớ ế ậ ả ă ễ ạ ậ ệtheo th i gian.ờ

13

thể b quá méo khi nị ế b c th i gianướ ờ nh và có th m t chính xác Trong tr ng ỏ ể ấ độ ườ

h p ó b gi i s h c ch có th ợ đ ộ ả ố ọ ỉ ể được ti n hành cho m t i m ch c ch n tr c khi ế ộ đ ể ắ ắ ướ

l i Lagragian méo gây ra phân tích b d ng l i do b c th i gianướ ị ừ ạ ướ ờ r t nh ấ ỏ Đố ới v i

ph ng pháp nươ ày v t li u di chuy n theo l i, n u v t li u ch u bi n d ng l n, l i ậ ệ ể ướ ế ậ ệ ị ế ạ ớ ướ

c ng s ch u bi n d ng ngang b ng và nó khi n k t qu không chính xác và m t n ũ ẽ ị ế ạ ằ ế ế ả ấ ổ

định s h c ( l i r i và/ho c th tích lưới là âm) ố ọ ướ ố ặ ể

Tuy nhiên, ch ng trình có th b sung thêươ ể ổ m các đặc tính, nh “rezoning” và ư

“erosion” có th áp d ng cho l i Lagrangian m r ng phân tích V i ph n t ể ụ ướ để ở ộ ớ ầ ửerosion, ph n t méo b xóa kh i mesh b xóa kh i l i b ng cách t m t gi i h n ầ ử ị ỏ ị ỏ ướ ằ đặ ộ ớ ạ

độ ề b n d o óa phẻ X ầ ử ượn t v t quá giá tr ng ng bi n d ng d o gi i quy t c v n ị ưỡ ế ạ ẻ ả ế ả ấ đề

th tích âm l n b c th i gian b gi m M t khác, vi c xóa ph n t c ng xóa kh i ể ẫ ướ ờ ị ả ặ ệ ầ ử ũ ố

l ng và n ng l ng bi n d ng c a c u trúc, vì v y không m b o b o toàn kh i ượ ă ượ ế ạ ủ ấ ậ đả ả ả ốlượng và n ng l ng Quy trình rezoning òi h i t ng b c chia l i l i c a phă ượ đ ỏ ừ ướ ướ ạ ủ ần b ịméo và nó có th khi nể ế t ng th i gian b gi i và l i s h c liên quan n các x p x ă ờ ộ ả ỗ ố ọ đế ấ ỉ

Vì l do ó k thu t này ho t ý đ ỹ ậ ạ động t t nh t thì c n có thêm các b c chia lố ấ ầ ướ ướ ại l i

2.1.2 Ph ươ ng pháp Eulerian

Trong công th c Eulerian, l i tham chi u ứ ướ ế được coi nh tư h tích i u khi n, ể đ ề ể

t c là l i v n c nh, và m t v t li u nghiứ ướ ẫ ố đị ộ ậ ệ ên c u ch y qua l i Lứ ả ướ ưới không di chuy n, không có kh n ng bi n d ng l i, ó là m t l i th l n.ể ả ă ế ạ ướ đ ộ ợ ế ớ

Công th c này h u h t ứ ầ ế được áp d ng cho các ng d ng ch t l ng Tuy nhiên, ụ ứ ụ ấ ỏcông th c Eulerian yêu c u tính toán nhi u h n Lagrangian, d n n th i gian mô ứ ầ ề ơ ẫ đế ờ

ph ng dài h n Ngoài ra, r t khó ỏ ơ ấ để theo dõi các giao di n v t li u, và l ch s c aệ ậ ệ ị ử ủ các

bi n v t li u Trong Hình 10ế ậ ệ , mô ph ng tác ỏ động c th m m s d ng công th c ơ ể ề ử ụ ứEulerian được hi n th cáể ị ở c th i i m khác nhau.ờ đ ể

Hình 10 Ph ươ ng pháp Eul erian

14

2.1.3 Ph ươ ng pháp C oupled Eulerian Lagrangian (CEL)

CEL là s k t h p c a Lagrangian,ự ế ợ ủ và Eulerian M c íchụ đ chính c a ph ng ủ ươpháp CEL là s d ng các l i th c a l i Lagrangian và ử ụ ợ ế ủ ướ Eulerian Đố ớ ấ đề ếi v i v n k t

c u ch t l ng t ng quát, l i Lagrangian ấ - ấ ỏ ổ ướ được s d ng phân bi t k t c u, trong ử ụ để ệ ế ấkhi l i Eulerian ướ được s d ng ử ụ để phân bi t m t chệ ộ ấ ỏt l ng Giao di n gi a k t c uệ ữ ế ấ và

ch t l ng có th ấ ỏ ể được bi u di n b ng cách s d ng ranh gi i c a mi n Lagrangian ể ễ ằ ử ụ ớ ủ ề

M t khác, lặ ưới Eulerian, đại di n cho ch t l ng có th b bi n d ng l n, không có v n ệ ấ ỏ ể ị ế ạ ớ ấ

đề liên quan n l i, và các bi n d ng ph n t H n ch duy nh t c a ph ng pháp đế ướ ế ạ ầ ử ạ ế ấ ủ ươCEL là th i gian tính toáờ n dài h n.ơ

Trong hình 11, m t mô ph ng tác ng c th m m s d ng công th c CEL ộ ỏ độ ơ ể ề ử ụ ứ ở nh ng ữ

th i i m khác nờ đ ể hau c a th i gian.ủ ờ

Hình 11 Mô hình trong CEL

2.1.4 Ph ươ ng pháp Smooth Particle Hydrodynamics (SPH)

Ph ng pháp không l i SPH là m t ph ng pháp tính toán k t c u ươ ướ ộ ươ ế ấ được gây

d ng c l p vào n m 1977 b i Monaghan Gingold và Lucyự độ ậ ă ở , ban u gi i quy t đầ để ả ếcác bài toán trong l nh v c thiên v n h cĩ ự ă ọ Tuy nhiên, ngày nay nó ã đ được s d ng ử ụ

r ng rãi trong các l nhộ ĩ v c tính toánự khác nh c h c ch t l ngư ơ ọ ấ ỏ , va ch m k t c uạ ế ấ

Ph ng pháp không l i SPH chia k t c u tính toán thành m t nhóm các nút ph n ươ ướ ế ấ ộ ầ

t (h t) M i nút ph n t i di n b i v trí, kh i l ng, v n t c, ng su t M i h t ử ạ ỗ ầ ử đạ ệ ở ị ố ượ ậ ố ứ ấ ỗ ạ

15

có m t vùng nh h ng c a nóộ ả ưở ủ lên các h t khác nh hạ Ả ưởng này c a h t lên các h t ủ ạ ạkhác được di n t bễ ả ằng m t hàm kernel M c nh h ng ph thu c vào kho ng ộ ứ độ ả ưở ụ ộ ảcách t h t ó n h t ang xét nh h ng là l n nh t t i trung tâm và b ng không ừ ạ đ đế ạ đ Ả ưở ớ ấ ạ ằ

t i biên c a vùng nh h ng.ạ ủ ả ưở

Hình 12 Mô hình trong phương pháp SPH

2.2 Ph ươ ng trình i u khi n đ ề ể

Mô ph ng va ch m c a chim v i v n t c cao là m t v n phi tuy n v i c ỏ ạ ủ ớ ậ ố ộ ấ đề ế ớ ả

động h c phi tuy n và v t li u phi tuy n do t l bi n d ng cao, thay i hình d ng ọ ế ậ ệ ế ỉ ệ ế ạ đổ ạ

l n và bi n d ng ớ ế ạ không àn h i.đ ồ

M t trong nh ng công trình nghiên c u tiên phong trong nghiên c u v chim ộ ữ ứ ứ ề

đâm được th c hi n b i Wilbeckự ệ ở [4], ông đề xu t r ng thuy t th y ng l c có th ấ ằ ế ủ độ ự ể

áp d ng cho v t phóng trong va ch m khi ng su t c a v t phóng l n h n r t nhi u ụ ậ ạ ứ ấ ủ ậ ớ ơ ấ ề

so v i b n c a v t li u làm v t phóng.Ông ã thành công trong vi c ch ng minh ớ độ ề ủ ậ ệ ậ đ ệ ứ

v t phóng có ng x nh ch t l ng vì b n không áng k , còn g i làậ ứ ử ư ấ ỏ độ ề đ ể ọ c th m m ơ ể ề(soft body) B c ướ đầu trong vi c áp d ng thuy t th y ệ ụ ế ủ động l c, Wilbeck tách t i tr ng ự ả ọ

va ch m kh i ph n h i c a v t ích b ng cánh gi s v t ích là tuy t i c ng, sau ạ ỏ ả ồ ủ ậ đ ằ ả ử ậ đ ệ đố ứ

đó bao g m các hi u ng bi n d ng ồ ệ ứ ế ạ c a v t ích.ủ ậ đ

Ph ng pháp này ươ ước tính t i tr ng va ch m s d ng ả ọ ạ ử ụ h th c s c 1ệ ứ ố -D trong

ch s c, và gi i b ng ph ng trình Bernoulli nén 1ế độ ố ả ằ ươ -D cho chế độ dòng ch y n ả ổđịnh Tuy nhiên , v i s phát tri n c a công ngh máy tính ngày nay, có th d dàng ớ ự ể ủ ệ ể ễ

gi i các ph ng trình i u khi n phi tuy n 3ả ươ đ ề ể ế -D Ph n này s gi i thi u v ph ng ầ ẽ ớ ệ ề ươ

Trong ph ng trình trên, ươ nk là v trí hi n t i c a i m, ị ệ ạ ủ đ ể ol/là i diđạ ện cho t a ọ độ

c a i m trong khung g c ho c khung tham chi uủ đ ể ố ặ ế C i và j n m trong kho ng 1 ả ằ ảđến 3 trong 3-D

17

2.2.2 Bả o toàn độ ng l ượ ng tuy n tính ế

V i các i u ki n biên phù h p , b o toàn ớ đ ề ệ ợ ả động l ng tuy n tính bi u di n b ng:ượ ế ể ễ ằ

Trong ó đ tk là thành ph n vector kéoầ

Trong ph ng trình trên, khi các rươ àng bu c cân b ng, thành ph n ti p ộ ằ ầ ế tuy n ế

c a kéo trên các b m t ti p xúc ph i b ng nhau ủ ề ặ ế ả ằ i u ki n này ngh a làĐ ề ệ ĩ :

pklvskvslvw pklxskxslx = z////////////////////@KBcC

18

2.2.3 Bả o toàn momem độ ng l ượ ng

Trong tr ng h p không có c p v t th , bườ ợ ặ ậ ể ảo toàn momen ng l ng độ ượ là tensor ng ứ

su t Cauchy i x ng, ấ đố ứ

pkl = pkl///////////////////@KBfC

2.2.4 B o toàn n ng l ả ă ượ ng

Ph ng trình b o toàn n ng l ng dung tính toán n i n ng e s d ng trong ươ ả ă ượ để ộ ă ử ụ

ph ng tình tr ng thái thu ươ ạ để được m i quan h áp su t kh i l ng riêng c a v t ố ệ ấ - ố ượ ủ ậ

li u ệ B o toàn n ng l ng có th vi t d i d ng:ả ă ượ ể ế ướ ạ

ekl =A

K Rklw Rlk/ ////////@KBAK C/

ekl còn được g i là tensor xoay ọ (spin tensor)

2.2.5 Nguyên t c Vitual Work ắ

Ph ng pháp ph n t h u h n s d ng d ng y u c a ph ng trình ươ ầ ử ữ ạ ử ụ ạ ế ủ ươ động l ngượ Trong l nh v c c khí, d ng y u ĩ ự ơ ạ ế được g i là “nguyên t c Vitual work” ọ ắ Nguyên t c ắvitual work là d ng y u c a ph ng trình b o toàn ng l ng tuy n tính cùng v i ạ ế ủ ươ ả độ ượ ế ớcác đ ềi u ki n biên ệ đường kéo, chuy n v và k t n i không liên t cể ị ế ố ụ Ph ng trình ươ động

l ng tuyượ ến tính cùng v i các i u ki n biên quy nh ớ đ ề ệ đị được gọi là s cân b ng ng ự ằ độ

l ng t ng quát D ng y u c a ph ng trình cân b ng ng l ng t ng quát là:ượ ổ ạ ế ủ ươ ằ độ ượ ổ

19

Với ,nk là hàm ki m tra tùy có th hi u là tr ng chuy n v oể ý ể ể ườ ể ị ả

,nkphả triệt tiêu ở ọi n i tri m ơ ừ các iđ ều kiện chuyển vị ắt buộc '~ là di n tích vi b ệphân

Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) bao g m c Lagrangian và Eulerian V n ồ ả ậ

t c c a v t là u, v n t c trong h t a tham chi u là v Sai ố ủ ậ ậ ố ệ ọ độ ế khác th tích t ng i ể ươ đố

gi a không gian và h t a tham chi u là Jacobian J’ữ ệ ọ độ ế

mh†

mt = h

†//mTk

mnk//////////@KBAQ C

Đạo hàm theo th i gian c a v t có th ờ ủ ậ ể được bi u di n trong c không gian và ể ễ ả

h t a th m chi u L c trong h t a tham chi u ệ ọ độ ạ ế ự ệ ọ độ ế ‡M có:

20

Các ph ng trình CEL cho b o toàn kh i l ng, ng l ng và n ng l ng ươ ả ố ượ độ ượ ă ượ

t o ra b ng cách thay vào phạ ằ ương trình trên Tuy nhiên d ng không bở ạ ảo toàn

mt = p‚ƒ%ƒ` />q‚ w >ˆk

mEk

mnk//////////////////@KBAc C

>mNM

>h‰ g p các d ng thu ộ ạ được ph ng trình CEL cho :ươ

21

N u h t a ế ệ ọ độ tham chi u là h t a ế ệ ọ độ hi n t i ệ ạ đang xét, •/=/“%/‘’=A, thu được ph ng ươtrình Eulerian

2.2.7 Ph ươ ng pháp S moothed Particle Hydrodynamics (SPH)

SPH được xây d ng d a trên Lagrangian, còn ự ự được g i là ph ng pháp không ọ ươ

l i ướ Trong kỹ thu t SPH, m i h t cóậ ỗ ạ kh i l ng ố ượ được gán cho nó Các bi nế c a m t ủ ộ

h t ạ được tính b ng cách n i suy các h t lân c n ằ ộ ạ ậ M t h t ộ ạ được coi là m t lân c nộ ậ khi

nó r i vùng nh h ngơ ả ưở c a m t h t khác.ủ ộ ạ

Nội suy tích phân của hàm bất kì ‡@nC có th vi t d i d ngể ế ướ ạ

‡ n = ‡@nC = ‡ n† e n w n†% ” 'n‰/////////////////@KBKK C

-W là m t h t nhân n i suy ho c hàm s lõi, x là vector t a 3ộ ạ ộ ặ ố ọ độ D, dx’ là th tích, h ể

là chi u dài nh h ng c a h t X p x trên có b c chính xác là ề ả ưở ủ ạ ấ ỉ ậ ”&•&‡

Hàm W ph i th a mãn hai i u ki nả ỏ đ ề ệ :

e n w n†% ” 'n† = A//////////////// KBKQ –Y—

˜™0e n w n†% ” = ,@n w n†C//////////////////@KBKU C

Đố ới v i tính toán s , d i d c c a ố ờ ạ ủ ‡@nC được vi t d i d ng:ế ướ ạ

‡@nC = VO ‡O

>Oe n w nO% ” ///////////////////@KBK\Cš

O/›/$

V i ớ nO là tr ng tâm c a h t k kh i l ng ọ ủ ạ ố ượ VO và kh i l ng riêng ố ượ >O N là s h t n m ố ạ ằtrong mi n nh h ng Trong ph ng trình trên, m i h t là t ng c a các ph n t th ề ả ưở ươ ỗ ạ ổ ủ ầ ử ểtích nh Hình 11 cho th y các h t lân c n trong bán kính 2h c a hỏ ấ ạ ậ ủ ạt k

Hình 14 L n c n các h t tr ậ ậ ạ ong SPH