Giới thiệu chungTE3 Airblade là thủy phi cơ cá nhân thiết kế dựa trên ý tưởng của EspiritAeronautics Lancer ePAV, với tổng tải trọng tối đa 200kg hoạt động ở độ cao dưới1000m.Với đầy đủ
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
TE3 Airblade là thủy phi cơ cá nhân thiết kế dựa trên ý tưởng của Espirit Aeronautics Lancer ePAV, với tổng tải trọng tối đa 200kg hoạt động ở độ cao dưới 1000m.
Với đầy đủ khả năng của thủy phi cơ nhưng được cải tiến hệ thống cất hạ cánh thẳng đứng, hoạt động hoàn toàn bằng điện cũng như kích thước nhỏ gọn, TE3Airblade hứa hẹn sẽ có tương lai phát triển hơn nữa.
Hnh 3: Thủy phi cơ điện TE3Airblade
TE3Airblade sử dụng 8 động cơ điện cảm ứng dẫn động trực tiếp, chia thành 4 cặp được điều chỉnh tốc độ vòng quay 4 cặp động cơ này phối hợp với 4 cặp cánh quạt, cho phép TE3Airblade điều khiển dễ dàng và nhanh chóng, đáp ứng các nhu cầu bay khác nhau.
Với 8 cánh quạt composite cố định, TE3Airblade sử dụng 2 cánh quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mô-men xoắn, loại bỏ lực tác động lên kết cấu máy bay Cấu trúc này cho phép tận dụng 100% công suất để tạo lực nâng, giúp cánh quạt kép đạt hiệu suất nâng/công suất cao hơn cánh quạt đơn Bên cạnh đó, kích thước máy bay cũng được giảm đáng kể nhờ đường kính cánh quạt nhỏ hơn trong khi vẫn tạo ra lực nâng tương đương với cánh quạt đơn.
Ngoài ra, TE3Airblade còn được trang bị thêm cánh bằng với góc đặt cánh cố định tạo lực nâng khi bay hành trình, giúp giảm tải cho các động cơ đáng kể Điều này giữ được ưu điểm của thủy phi cơ thông thường khi di chuyển ở tốc độ cao. Trên cánh bằng được gắn 4 thanh tay đòn để lắp động cơ, đảm bảo tâm đặt của tổng lực đẩy trùng với trọng tâm máy bay, tránh gây momen mất cân bằng.
Hệ thống phao nổi dựa trên nguyên lý lực đẩy Archimedes, giúp thiết bị cân bằng trên mặt nước trong quá trình cất hạ cánh Ngoài ra, khi di chuyển trên mặt nước, lực đẩy từ phao nổi giúp giảm tải cho động cơ Vỏ phao được chế tạo từ vật liệu composite chống nước, có độ bền cao, chịu va đập tốt Bên trong phao được lắp đặt các dầm kim loại, đảm bảo kết cấu vững chắc ngay cả khi hạ cánh trên mặt đất Thiết kế phao nổi tham khảo từ các thủy phi cơ thông thường.
Các kích thước cơ bản
TE3Airblade sở hữu chiều cao tối đa lên đến hơn 2m, tính từ đáy phao đến cánh quạt phía trên, và chiều rộng tối đa tương ứng với độ dài sải cánh là 3m Điều này cho phép TE3Airblade có kích thước nhỏ gọn hơn về chiều ngang so với những thủy phi cơ có khối lượng cất cánh tối đa tương tự Đây chính là ưu điểm giúp TE3Airblade linh hoạt hoạt động trong các khu du lịch đông đúc.
Hnh 4:Kích thước mặt trước
Khoảng cách từ mặt đến đến vị trí chỗ ngồi là 0.85m Đây là khoảng cách an toàn cho phi công khi đi lên hoặc xuống khỏi thiết bị, tránh các va chạm và chấn thương không mong muốn hay tại nạn bất ngờ quạt được xếp tại vị trí đỉnh của hình chữ nhật Với sự đối xứng, máy bay có thể điều khiển và xác định tâm đẩy dễ dàng Về cơ bản, TE3Airblade điều khiển như 1 chiếc drone quadrotor nhưng được thêm cánh bằng hỗ trợ lực nâng khi bay bằng.
Do là máy bay điện, nên trong suốt quá trình bay, từ lúc cất cánh đến khi hạ cánh, trọng lượng máy bay luôn không đổi, do đó, hàm điều khiển không phụ thuộc thời gian bay như máy bay dân dụng Nhờ đó, sự ổn định của máy bay sẽ luôn được duy trì với tải trọng không đổi và chỉ phụ thuộc vào môi trường.
Để kiểm soát hướng bay, máy bay có thể tăng hoặc giảm tốc độ quay của cánh quạt, tạo ra sự thay đổi trong lực nâng và mô men Tăng tốc độ quay tạo ra lực nâng cao hơn, khiến máy bay nghiêng theo hướng mong muốn Ngược lại, giảm tốc độ quay làm mất cân bằng mô men, cho phép máy bay xoay tròn Do đó, kiểm soát chính xác tốc độ quay của cánh quạt là yếu tố quan trọng trong việc duy trì sự ổn định bay và khả năng điều khiển hướng của máy bay đa cánh quạt.
Hnh 6: Kích thước mặt trên
Hệ thống càng đáp kết hợp với phao nổi, với chiều dài 2 phao là gần 3m để có đủ thể tích cần thiết cho lực nổi, khoảng cách giữa 2 điểm tiếp đất của phao là gần1m đáp ứng được độ chắc chắn, tránh các momen gây mất cân bằng khi tiếp đất hay cả trên mặt nước.
Chỗ ngồi
Vị trí chỗ ngồi được sử dụng sản phẩm ghế PRO ADV QRT, là sản phẩm thương mại của Spacro USA Ghế Pro-ADV là kết quả của sự hợp tác hợp tác giữa
Sparco và FIA Mục tiêu hợp tác là đưa ra các phương pháp để cải thiện an toàn. Kết quả là các cấp độ mới về công thái học, vật liệu và trên hết là độ an toàn, tất cả đều được tìm thấy ở ghế Pro-ADV Tăng độ cứng và sử dụng vật liệu hấp thụ va chạm là những tiến bộ chính có trong Pro-ADV PRO ADV QRT mới là sự phát triển nâng cấp của PRO ADV ban đầu Pro ADV QRT được sản xuất với Công nghệ QRT hoàn toàn mới mang lại lớp vỏ siêu nhẹ Pro-ADV QRT được FIA (liên đoàn ô tô Quốc tế) phê chuẩn.
Hnh 7: Pro Adv QRT Được thiết kế và phát triển tại Phòng thí nghiệm Composite Sparco OEM ở Ý,QRT là một quy trình kỹ thuật tiên tiến nhất đã được cấp bằng sáng chế, dựa trên
THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG
Tính toán cánh bằng lý thuyết
Cánh bằng được thiết kế đáp ứng nhu cầu tạo lực nâng phụ các động cơ cũng như đảm bảo kích thước phương tiện không quá lớn
Hnh 8: Ảnh hưởng của tí số dạng tới hệ số lực nâng
Từ đồ thị, ta thấy AR càng lớn, hệ số lực nâng theo góc tấn càng lớn Chọn AR=4
AR =2.25(m 2 ) Trần bay 500m, tốc độ tối đa 20m/s
Từ đó có các thông số dòng khí theo bảng sau:
Tính được số Reynolds hoạt động của airfoil:
Theo công thức xác định số Reynolds, Re là tỷ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt tác động vào chất lưu chảy qua vật thể Số Reynolds được xác định bằng công thức: 1.000.000 < ℜ < 2.000.000, trong đó ℜ là số Reynolds, μ là độ nhớt động lực, ν là độ nhớt động học, l là độ dài dây cung trung bình của cánh airfoil.
Cánh là bộ phận phụ lực nâng cho các cánh quạt khi bay về phía trước, đặt tải trọng khoảng 30% trọng lượng tối đa (2000N).
NACA 0012 đáp ứng được yêu cầu và thuận lợi cho việc chế tạo vì là một profile đối xứng
Vận tốc dòng khí qua máy bay Ta có thể thấy được rằng dòng khí đã đỡ rối hơn và vận tốc của dòng rối cũng đã giảm đi đáng kể.
Hnh 19: Contour vận tốc dòng khí
Vì đây là chế độ bay bằng lên ta có xét tới mặt khí động của máy bay, vì được thiết kế có hình dạng khí động lên khí Ở điểm tính toán cuối cùng thì lực nâng ghi nhận được là 267N lực cản là khoảng 145N.
Biểu đồ lực nâng mô phỏng
Nhận xét về kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng cho độ chính xác cao so với các phép tính toán, qua đó có thể xác định được động cơ hoặc hiểu rõ hơn về khí động học của máy bay Điều này giúp chúng ta phát triển mô hình cho các phiên bản sản phẩm sau này.
Mô phỏng khí động máy bay
Hiện tại trên thế giới đang chuyển dịch nguồn nhiên liệu cho các thiết bị máy móc Động cơ điện đang là xu thế phát triển toàn cầu để giảm bớt khả năng phát thải trong đô thị Hiện tại các mẫu động cơ điện cho các mô hình UAV đã được các công ty phát triển với độ hoàn thiện cực cao và có công suất lớn Nên đối với thiết bị thì em sẽ sử dụng động cơ điện cho TE3Airblade
1.1.Yêu cầu đối với thiết bị bay
Khối lượng tổng thể khi cất cánh 200 kg
Lấy hệ số an toàn n=1,15(tải trọng có thể bị thay đổi do các yếu tố như khối lượng phi công,khối lượng pin,……)
Yêu cầu đạt độ cao 100m trong 20s khi bay lên theo phương thẳng đứng
Từ đây ta có thể tính được gia tốc cần đạt được là a= 2 S t 2 = 2.100
Từ đây ta có thể suy ra lực đẩy của động cơ cần cung cấp cho thiết bị thông qua phương trình vi phân chuyển động của vật rắn(ở đây để đơn giản ta sẽ bỏ qua lực cản của không khí do thiết bị bay lên với vân tốc không quá lớn). ΣF k e =ma
−m g+F Đc =m n a (n là hệ số an toàn)
Thiết bị được thiết kế với 8 động cơ gồm bốn cặp động cơ được lắp đặt thuận nghịch.Vậy lực đẩy tối thiểu mà mỗi động cơ cần đạt được là 270N
1.2 Giới thiệu về động cơ điện
Khái niệm: Động cơ điện là một máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ Động cơ điện hoạt động thông qua sự tương tác giữa từ trường của động cơ và dòng điện trong cuộn dây để tạo ra lực dưới dạng quay của trục.
Động cơ cảm ứng điện từ, còn gọi là động cơ không đồng bộ, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ tác động qua lại giữa các cuộn dây và phần ứng của động cơ Nguyên lý này được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền động điện, như quạt, máy bơm, và các loại máy móc công nghiệp khác.
ĐỘNG CƠ, NĂNG LƯỢNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO TE3AIRBLADE
Lựa chọn động cơ
Thế giới hiện đang chuyển dịch nguồn nhiên liệu cho máy móc, trong đó động cơ điện nổi lên như xu hướng toàn cầu hướng đến mục tiêu giảm thiểu khí thải đô thị Đối với mô hình UAV, các công ty đã phát triển thành công những mẫu động cơ điện có độ hoàn thiện cao và công suất lớn Vì vậy, động cơ điện sẽ được lựa chọn để sử dụng trong thiết bị TE3Airblade.
1.1.Yêu cầu đối với thiết bị bay
Khối lượng tổng thể khi cất cánh 200 kg
Lấy hệ số an toàn n=1,15(tải trọng có thể bị thay đổi do các yếu tố như khối lượng phi công,khối lượng pin,……)
Yêu cầu đạt độ cao 100m trong 20s khi bay lên theo phương thẳng đứng
Từ đây ta có thể tính được gia tốc cần đạt được là a= 2 S t 2 = 2.100
Từ đây ta có thể suy ra lực đẩy của động cơ cần cung cấp cho thiết bị thông qua phương trình vi phân chuyển động của vật rắn(ở đây để đơn giản ta sẽ bỏ qua lực cản của không khí do thiết bị bay lên với vân tốc không quá lớn). ΣF k e =ma
−m g+F Đc =m n a (n là hệ số an toàn)
Thiết bị được thiết kế với 8 động cơ gồm bốn cặp động cơ được lắp đặt thuận nghịch.Vậy lực đẩy tối thiểu mà mỗi động cơ cần đạt được là 270N
1.2 Giới thiệu về động cơ điện
Khái niệm: Động cơ điện là một máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ Động cơ điện hoạt động thông qua sự tương tác giữa từ trường của động cơ và dòng điện trong cuộn dây để tạo ra lực dưới dạng quay của trục.
Nguyên tắc hoạt động: Động cơ cảm ứng điện từ hay còn gọi là động cơ không đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ tác động qua lại giữa
Rotor và Stator tác động qua lại lẫn nhau, phần đứng yên Stator là những cuộn dây được truyền dòng điện trở thành những nam châm điện Lực điện từ sinh ra giữa tác động qua của Rotor và Stator tạo nên sự chuyển động quay của động cơ.
Nguồn điện được sử dụng: Động cơ điện được cung cấp bởi dòng điện một chiều (DC) và ở đây là sử dụng pin Pin sẽ được thiết kế và ghép sao cho phù hợp với công suất động cơ để hoạt động bình thường. Động cơ được lựa chọn với mã hiệu là KDE13218XF-105
Hnh 20: Động cơ không chổi than KDE13218XF-105
Hnh 21: Bản vẽ mặt trên của động cơ
Hnh 22: Bản vẽ mặt dưới của động cơ
KDE13218XF-105 là động cơ không chổi than cho dòng Multi-Rotor điện hạng nặng (UAS).Đây là động cơ sẽ cung cấp lực đẩy chính cho TE3Airblade được sản xuất bởi công ty KDE của Mỹ chuyên sản suất linh kiện cho các công ty sản xuất UAV cỡ trung và lớn
Kv (Motor Velocity Constant) 105 RPM/V
Kt (Motor Torque Constant) 0.0909 Nm/A
Shaft Diameter ф10 mm (ф15 mm Internal)
Motor Rotor Inertia 21.865 kg*cm^2
Motor Weight 2015 g (2120 g with Wires/Bullets)
Propeller Blade Size Up to 35.5" DP
Bảng thông số của động cơ KDE13218XF-105
Trên đây là bảng thông số tham khảo cho chúng ta biết các hệ số hoạt động cực đại của động cơ chỉ mang yếu tố tham khảo
Nhà sản đã công bố các thông số khảo sát thực tế công suất đạt được và lực đẩy tối thiểu chúng ta sẽ dựa vào đây tham chiếu và lựa chọn. Điều kiện thực nghiệm đối với KDE13218XF-105 ở 68 độ F, độ cao 3500m so với mặt nước biển và độ ẩm là 40%
Như đã tính toán trước đó ở phần 3.1 ta đã có lực đẩy tối thiểu của mỗi động cơ cần đạt là 270N
Với điều kiện trên lực đẩy tạo ra là 288.31N >270N
Do mật độ không khí ảnh hưởng đến lực nâng của cánh quạt và động cơ. TE3Airblade với mục đích thiết kế ban đầu hoạt động trong trường độ cao từ 0 đến 1000m nên lực đẩy tạo ra từ động cơ cũng sẽ tăng lên cụ thể ta có thể tính gần đúng bởi công thức sau:
L = ẵ v A ρ C 2 L v là vận tốc quay của cánh quạt
A là diện tích cánh ρ là mật độ không khí
CL là hệ số lực nâng tùy thuộc vào từng loại cấu hình cánh và góc nghiêng
Theo mô hình ISA, mật độ không khí ở mực nước biển (tức độ cao 0m) là khoảng 1.225 kg/m³ (điều kiện tiêu chuẩn) Để tính mật độ không khí ở độ cao khác, ta sử dụng công thức: ρ=ρ 0 ( 1− L T x h 0 ) g.m Rk
Trong đó: ρ là mật độ không khí tại độ cao cần tính (đơn vị kg/m³). ρ0 là mật độ không khí tại mực nước biển (đơn vị kg/m³).
L là tốc độ biến thiên nhiệt độ với độ cao (đơn vị K/m) Giá trị thường được chấp nhận là 0,0065 K/m trong mức độ cao đến khoảng 11 km. là độ cao so với mực nước biển (đơn vị mét).
T0 là nhiệt độ tại mực nước biển (đơn vị Kelvin) Giá trị thường được chấp nhận là 288,15 K (15°C). g là gia tốc của trái đất (đơn vị m/s²) Giá trị thông thường là khoảng 9,80665 m/s².
M là khối lượng mol của không khí (đơn vị kg/mol) Giá trị xấp xỉ là 0,02896 kg/mol.
R là hằng số khớ lý (đơn vị J/(kgãK)) Giỏ trị xấp xỉ là 287,05 J/(kgãK).
Lực đẩy của cánh quạt và động cơ khi ở độ cao 1000m với cấu hình trên là
Vậy nếu TE3Airblade hoạt động ở dưới 1000m thì không cần ở mức ga 100% giúp tiết kiệm năng lượng
Lựa chọn cánh quạt
2.1 Cánh quạt KDE-CF355-DP gồm hai lá cánh
Cánh quạt được làm bằng sợi carbon có khối lượng 70,0 g / lưỡi (thiết kế được tối ưu hóa FEA cho sức mạnh tối đa và trọng lượng tối thiểu)
Hnh 23: Bản vẽ 1 lá cánh mà nhà sản xuất công bố
Hnh 24: Bản vẽ lỗ lắp cánh vào động cơ
2.2 Lắp ghép cánh và động cơ Để gắn cánh quạt vào động cơ ta phải sử dụng một bộ kết nối hay bộ đế KDE- DPAHL-SP
Một (1) Bộ chuyển đổi cánh quạt hạng nặng trực tiếp KDE (SP), Phiên bản kép, Một mảnh
Hai (2) Vít nắp đầu ổ cắm nút M6
Bốn (4) Vít nắp đầu ổ cắm nút M3
Hnh 25: Bản vẽ bộ đê nối cánh quạt và động cơ
Hnh 26: Hnh ảnh lắp ghép giữa cánh và đế
Thiết kế hệ thống pin cho TE3Airblade
Pin là nguồn năng lượng phổ biến cho nhiều thiết bị, có nhiều loại và kích thước tương ứng với các thiết bị tiêu thụ điện khác nhau Đơn vị đo dung lượng pin là mAh, đại lượng dùng để đo sức chứa của vật lưu điện Dung lượng pin lý thuyết càng cao thì thời gian sử dụng càng lâu, nhưng thực tế có thể khác tùy vào yếu tố sử dụng.
*Các loại pin phổ biến hiện nay trên thị trường
Trên thế giới có rất nhiều hãng pin và dòng pin Nhưng hiện tại loại pin Lithinium-Ion (Li-Ion) và Lithinium-Ion Polymer (Li-Po) là 2 loại tốt nhất tới thời điểm hiện tại và vẫn đang duy trì và phát triển sau này, còn có các dòng pin như Nickel-cadimi (NiCd), pin Volta,… nhưng là những dòng pin đã lỗi thời và việc sử dụng trên BKair là điều không thể.
Dưới đây là 2 hình biểu diễn cho 2 loại pin kể trên là Li-Ion và Li-Po.
Pin Li-Ion, được giới thiệu vào năm 1991, là loại pin Lithium-Ion phổ biến rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thiết bị điện tử, y tế, xe điện, hàng không và quân đội.
Khái niệm: Là loại pin có thể sạc đi sạc lại nhiều lần, Li-Ion phổ biến nhờ các ưu điểm như mật độ năng lượng lớn (dung lượng lớn trên kích thước pin nhỏ), ít bị tự xả (giữ năng lượng lâu), thân thiện môi trường hơn các công nghệ cũ.
Nguyên tắc hoạt động: -Li-Ion hoạt động trên nguyên tắc trao đổi ion Li giữa
2 điện cực để sạc, xả điện và sử dụng một dung dịch điện ly làm môi trường Việc các nhà sản xuất pin sử dụng chất liệu gì cho 2 đầu cực (Niken, Graphite, Silicon ) cũng như dung dịch điện ly sẽ có ảnh hưởng đến hiệu năng, số lần sạc, độ an toàn, kích thước pin, chi phí Độ an toàn và tuổi thọ của pin Li-Ion.
● Như đã nói ở trên việc sử dụng chất liệu của nhà sản xuất sẽ ảnh hưởng đến độ an toàn và chai pin Tuy nhiên, dung dịch điện ly là một chất rất dễ cháy, bạn có thể thấy loại pin này đều được bao bọc kĩ bằng một lớp vỏ kim loại kín.
● Nhiệt độ cũng là một trong những nguyên nhân, theo khuyến nghị pin Li-Ion sẽ hoạt động tốt nhất được sạc ở khoảng nhiệt độ 5 - 45 độ C Trong quá trình sạc, nếu nhà sản xuất cố tình đẩy cao điện áp đầu vào sẽ làm giảm tuổi thọ pin nhanh chóng.
- Pin Li-Po có dung lượng cao có nghĩa là nó chứa được nhiều năng lượng trong một gói pin nhỏ.
- Pin Li-Po có dòng xả cao để cung cấp năng lượng liên tục cho thiết bị di động.
Pin Lithium-Polymer có tuổi thọ lâu dài và không bị chai pin theo thời gian Điểm khác biệt của loại pin này là người dùng có thể sạc bất kỳ lúc nào mà không cần phải quan tâm đến dung lượng pin còn lại hoặc lo lắng về việc chai pin, giúp duy trì hiệu suất pin lâu dài.
- Tuổi thọ của pin Li-Po có thể lên đến 1000 lần sạc mà vẫn giữ mức dung lượng Pin khá cao.
*Ưu nhược điểm của từng dòng pin
Li-Ion Li-Po Ưu điểm
- Chi phí sản xuất thấp
- Lưu trữ được nhiều năng lượng hơn các dòng pin thế hệ trước (Ni-Cd và Ni-
- Li-Po có kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ Có thể tùy biến hình dạng và kích thước để phù hợp với sản phẩm khác nhau
- Dung lượng cao trong một khối pin có kích thước nhỏ gọn
- Dòng xả mạnh, đáp ứng tốt cho mọi thiết bị
- Năng lượng pin luôn ổn định, với việc suy giảm khả năng lưu trữ năng lượng sau một thời gian dài không sử dụng là rất ít (độ chai pin)
- Cấu tạo là gell polimer nên có thể chịu va đập tốt hơn
- Suy giảm chất lượng dù có được sử dụng hay không - Pin có thể hỏng nếu để điện áp kiệt dưới mức cho phép trong thời gian dài hoặc sẽ gây phù pin
- Cấu tạo pin luôn là hình khối hạn chế trong việc tạo hình các sản phẩm và có trọng lượng nặng hơn so
- Suy giảm chất lượng dù có được sử dụng hay không
- Pin có thể hỏng nếu để điện áp kiệt dưới mức cho phép trong thời gian dài hoặc sữ gây phù pin
- Cấu tạo pin luôn là hình khối hạn chế trong việc tạo hình các sản phẩm và có trọng lượng nặng hơn so với dòng pin Li-Po cùng dung lượng -Pin dễ bị kích động và cháy nổ khi sử dụng không đúng cách
38 với dòng pin Li-Po cùng dung lượng -Pin dễ bị kích động và cháy nổ khi sử dụng không đúng cách
Kết luận: Có thể thấy pin Li-Po có nhiều đặc tính tốt hơn pin Li-Ion, tuy nhiên:
● Pin Li-Po mới được phát triển gần đây và vẫn chỉ được đang định hướng là áp dụng vào trong hàng không trong tương lai Giá thành sản xuất pin của Li-Po cũng cao hơn so với pin Li-Ion lên tới 30-40%.
● Pin Li-Ion được sử dụng trong hàng không khá nhiều và được các doanh nghiệp lớn như Tesla, Panasonic, Maxell, Camelion.
● Pin Li-Ion hiện nay đã được sản xuất thành các cell được ghép với nhau từ nhiều viên pin nhỏ và được sử dụng rộng rãi trên xe điện, ô tô điện, máy bay.
● Công nghệ ngày nay là xếp nhiều viên pin nhỏ với nhau lại để tạo thành một cell lớn tùy theo điện áp cần để tiện quản lý và dễ dàng trong việc sản xuất Đây cũng là lý do mà pin Li-Po vẫn đang khá khó khăn trong việc chế tạo và sản xuất theo hướng như trên, nên ta vẫn sử dụng loại pin Li-Ion.
3.2 Lựa chọn hãng sản xuất
Samsung Hàn Quốc là một tập đoàn toàn cầu về lĩnh vực sản xuất pin và linh kiện điện tử có tiếng trên thị trường
Em chọn pin mẫu pin Samsung 21700 cung cấp năng lượng chính cho TE3Airblade
3.3 Giới thiệu về pin Samsung 21700
Dòng xả 6.5C có nghĩa là dòng xả đạt giá trị 0A
Dựa theo yêu cầu của động cơ là điện áp của động cơ là 16S(58,8V)
Phương án thiết kế được đưa ra sẽ bao gồm:
8 khối pin cung cấp cho cho mỗi động cơ
Mỗi khố pin gồm 2 tầng
Mỗi tầng sẽ gồm 16 cell pin mắc nối tiếp chúng sẽ đạt được điện áp 58,8V
Hai tầng pin sẽ được kết nối song song vì cường độ dòng điện xả tối đa của một pin chỉ là A Để đáp ứng yêu cầu của động cơ là 130A, các pin phải được kết nối song song để đạt được cường độ dòng điện mong muốn.
Số pin cần dùng:16.8.2%6 Viên
Khối tối thiểu của pin%6.0,08 ,48(kg)
Lượng năng lượng mỗi khối pin cung cấp được
= Dung lượng pin*Hiệu điện thế*Số pin của một khối pin
Khung thân máy bay
Hnh 36: Khung thân máy bay
Phần khung thân sẽ có hình dạng như trên ảnh, trong đó kết cấu số 1 chịu lực chính do tải trọng của cánh bằng, bộ khung ở trên, phi công, pin, các hệ thống điều khiển,…
Khi đứng yên, kết cấu chịu tải trọng của cả cái bằng, bộ khung ở trên, ghế ngồi Khi cất cánh và bay bằng, kết cấu chịu thêm tải trọng của 2 cái phao và cái càng kéo xuống Khi hạ cánh, kết cấu sẽ chịu lực truyền từ phao khi chạm nước Vì vậy cần chọn loại khung vừa chịu được các lực kể trên, vừa nhẹ để đạt được khối lượng theo yêu cầu thiết kế, vừa đáp ứng yêu cầu về mặt thẩm mỹ Vì vậy loại kết
Trong phần này các kết cấu số 1 được tập trung thiết kế kích thước, lựa chọn vật liệu cho bộ khung để đảm bảo yêu cầu đề ra về độ bền và khối lượng.
1.1.1 Lựa chọn kết cấu khung a) Các loại dầm
- Dầm chữ I: kích thước tiết diện quá to, khó lắp đặt với ghế và mũi trước và không đạt yêu cầu về thẩm mỹ do có rãnh.
- Dầm chữ U: dễ dàng chế tạo, nhiều kích thước tiết diện khác nhau, nhưng không đạt yêu cầu về thẩm mỹ do có rãnh.
- Dầm hình chữ nhật/vuông (hay còn gọi là hộp): hoàn toàn phù hợp với kết cấu khung, vừa đủ chịu lực, không có rãnh lộ bên ngoài nên đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ, đồng thời rỗng bên trong nên có thể chạy hệ thống dây điện. b) Kết luận
Chọn dầm hình chữ nhật/vuông vì đảm bảo các yêu cầu về độ bền, đảm bảo cường độ, độ cứng ổn định.
Thông qua việc tìm hiểu các loại dầm hình chữ nhật, hình vuông tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường, kết hợp với việc mô phỏng, tính toán, dầm sẽ có kích thước như sau:
Chiều cao bên ngoài: H = 76 mm Chiều rộng bên ngoài: B = 76 mm Chiều cao bên trong: h = 73.2 mm Chiều rộng bên trong: b = 73.2 mm
Với việc chọn kích thước dầm như này, dầm sẽ vừa đảm bảo được yêu cầu về độ bền vừa đảm bảo yêu cầu về khối lượng
Khung được thiết kế với chiều cao tổng thể là 1253.9 mm, chiều dài là 2645.92 mm.
Tiêu chuẩn chọn vật liệu là bền và tối giản trọng lượng Khối lượng khung không vượt quá 20% tổng khối lượng máy bay (< 200kg) Nhóm nghiên cứu đã mô phỏng so sánh các vật liệu và chọn nhôm 7075 làm vật liệu phù hợp nhất.
Nhôm và hợp kim của nó ngày nay được coi là một trong những kim loại thiết
Việc bổ sung tỷ lệ kẽm cao hơn cho hợp kim này làm cho 7075 trở thành một trong những hợp kim có độ bền cao nhất và cứng nhất hiện có Nó tìm thấy việc sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp máy bay, đặc biệt là khi các bộ phận chịu ứng suất cao được sử dụng
Các thành phần hóa học:
Thành phần Wt % Thành phần Wt % Thành phần
Cr 0.18 – 0.28 Mn Max 0.3 Ti Max 0.2
Cu 1.2 – 2 Other, each Max 0.05 Zn 5.1 – 6.1
Fe Max 0.5 Other, total Max 0.15
Các thông số tính chất vật lí:
Thông số vật lý Số liệu Thông số vật lý Số liệu
Tỷ số poison (Poisson's Ratio)
572 MPa Độ bền mỏi (Fatigue Strength)
159 MPa Độ bền chảy dẻo do kéo (Tensile
71.7 GPa Độ bền cắt (Shear Strength)
Sau khi có kết quả mô phỏng khí động ở mục 2.2.1 ta xuất dữ liệu sang Static Structural để kiểm bền
Với Điều kiện biên như sau:
Hnh 38: Điều kiện biên của mô hnh kiểm bền
Từ đó ta ra được các thông số về ứng suất và chuyển vị của mô hình
Hnh 40: ứng suất của mô hnh (2)
Ta có thể thấy hầu như các ứng suất tập chung vào phần các phần liên kết giữa càng và thân hoặc giữa thân chính và cánh Và giá trị lớn nhất là 451MPa hoàn toàn bé hơn các giá trị ứng suất chịu đựng của vật liệu.
Về chuyển vị thì chủ yếu ở phần phía đuôi của mô hình không làm ảnh hưởng quá nhiều tới các bộ phận khác.
Kết luận về mô phỏng
Từ các mô phỏng trên ta có thể kiểm tra được độ bền của mô hình bay khi cất cánh Do đó ta có thể khẳng định là độ bền của máy bay khi cất cánh là đảm bảo.
Cánh bằng
Phần khung bên trong cánh bằng có dạng như hình ảnh Trong đó có kết cấu dầm chịu lực uốn chính ở giữa cánh (số 1), và các dầm ngang nhỏ hơn (số 3 và 4) để bổ trợ, chịu lực uốn cùng dầm số 1 Các sườn cánh (số 2) được chế tạo có hình dạng profil, để giữ đúng hình dạng profil cho cánh Các thanh dài (số 5) là nơi chịu uốn nhiều do lực của các động cơ và cánh quạt lắp đặt ở các đầu của thanh (số 6). Khi bay, các thanh số 5 sẽ bị chịu lực uốn ở 2 đầu
Dầm số 1 chịu lực nhiều nhất do phải chịu uốn ở hai vị trí do động cơ nâng thanh số 6 gây ra, đồng thời phải chịu tải trọng của máy bay ở giữa.
Như vậy trong phần này, dầm số 1 và thanh số 6 sẽ được tập trung thiết kế cũng
+ Dầm chữ I: Trên thị trường, kích thước tiết diện nhỏ nhất của dầm chữ I cũng có chiều cao lên đến 100 mm, hơn nữa hầu hết các dầm đều làm bằng thép nên không chỉ rất nặng, mà còn vượt quá kích thước của profil đã chọn
Do trên thị trường có nhiều loại dầm hộp khác nhau với kích thước và nguyên vật liệu chế tạo đa dạng, nhưng độ dày của các loại dầm hộp này thường chỉ dao động từ 0,5 đến 1,5 mm Vì vậy, nếu sử dụng thép làm nguyên vật liệu chế tạo thì dầm hộp sẽ trở nên quá nặng, còn nếu sử dụng các nguyên vật liệu khác thì độ bền của dầm hộp lại không được đảm bảo.
+ Dầm chữ U: Dầm chữ U rất phù hợp cho cánh cả về kích thước lẫn độ dày, đồng thời dầm chữ U còn rất linh hoạt về vật liệu, thích hợp cho việc lựa chọn 1 vật liệu vừa đủ bền và vừa nhẹ.
=> Kết luận: dầm chữ U sẽ được sử dụng làm dầm chính cho cánh máy bay b) Chọn kích thước tiết diện dầm
Thông qua việc tính toán cũng như mô phỏng độ bền, tiết diện của dầm số 1 sẽ được chọn như sau:
H = 40mm t = 4mm r = 4mm c) Chọn vật liệu
Việc lựa chọn vật liệu phải đáp ứng yêu cầu về khối lượng và độ bền đặt ra.
Qua kiểm tra và mô phỏng, vật liệu thích hợp nhất được chọn là hợp kim nhôm 7075 với thông số vật lý như sau:
Thông số vật lý Số liệu Thông số vật lý Số liệu
Tỷ số poison (Poisson's Ratio)
572 MPa Độ bền mỏi (Fatigue Strength)
159 MPa Độ bền chảy dẻo do kéo (Tensile
71.7 GPa Độ bền cắt (Shear Strength)
Việc thiết kế thanh số 5 phải đảm bảo các yêu cầu thiết kế như nhẹ, đủ độ bền, và đặc biệt quan trọng là chuyển vị của thanh phải đủ nhỏ để không làm ảnh hưởng đến góc tấn của cánh quạt khi bay.
Hình dạng tiết diện thanh được chọn sẽ là hình vuông với kích thước như sau:
Về vật liệu, sau khi tính toán và kiểm bền, thanh sẽ được làm từ hợp kim nhôm 7075 Thanh với vật liệu và tiết diện có kích thước như trên đã có sẵn trên thị trường.
Sau khi lấy kết quả mô phỏng từ Fluent thì ta xuất dữ liệu áp suất(imported pressure) sang Static structural để kiểm bền cho cánh bằng Điều kiện biên của mô hình, ta sẽ thay thế các động cơ tạo lực nâng bằng các lực hướng lên trên mỗi lực 550N và mặt cố định là mặt bích phần nối giữa thân chính và cánh bằng.
Từ đó ta có kết quả mô phỏng của chuyển vị, rằng ta có thể thấy được chuyển vị max 1.8mm của cánh bằng là ở các phần đặt lực thay thế cho động cơ Với mức chuyển vị này đủ an toàn và làm ảnh hưởng rất ít tới kết cấu của cánh.
Hnh 44: Contour chuyển vị cánh Ứng suất của cánh bằng, điểm đạt ứng suất max của mô hình là tại mép của đuôi cánh điều đó khá chính xác với thực tế vì ở đó phần vật liệu mỏng hơn cách phần còn lại của cánh bằng Với ứng suất max là 204MPa thì vật liệu vẫn được coi là đủ bền để hoạt động 1 cách bình thường.
Phao nổi
3.1 Các thông số chính (floats dimensions)
Thủy phi cơ sử dụng thân như một phao nổi, do đó có các thông số hình học giống với phao cần chế tạo Hình ảnh minh họa sau đây trình bày các thông số chính của thiết kế phao.
Hnh 46: Những thông số hnh học chính
Tổng tải trọng: W Tổng 0 kg
Thiết kế phao: W Tổng =(33 %−50 %) F asm
⇒ Mỗi phao có thể tích từ (0,2 0,3 ÷ )m 3
Chiều rô ”ng phao (là vị trí rô ”ng nhất của phao) được xác định sao cho có hình dạng khí đô ”ng cần thiết mà vẫn đủ lực đẩy ác-si-mét và đảm bảo diê ”n tích liên kết chịu lực của tải trọng Từ đó theo các ràng buô ”c về mă ”t hình học để xác định đô ” rô ”ng bé nhất của phao.
Chiều dài phao cần được tính toán sao cho đáp ứng được đô ” cân bằng tĩnh:
Trong đó L: chiều dài phao (ft)
W0: tổng trọng lượng máy bay (lb )f
B: chiều rô ”ng phao (ft) n: số lượng phao sử dụng K: hằng số phụ thuô ”c loại máy bay Thủy phi cơ cần thiết kế có tổng trọng lượng 200kg (441 lb ), sử dụng 2 phaof có chiều rô ”ng mỗi phao 400mm (1,312ft) → K = 1,4
+ Bâ ”c chia phao ra làm 2 phần thân trước và thân sau, do đó sẽ phụ thuô ”c tỉ lê ” chiều dài thân trước (forebody) so với tổng chiều dài của phao Nhằm giảm diê ”n tích phần thân sau (afterbody) bị tác đô ”ng bởi dòng nước bắn (spray) khi di chuyển, tỉ lê ” này đã được chứng minh khi rơi vào khoảng từ 0,5 đến 0,55 sẽ là tốt nhất cho máy bay
+ Đô ” cao của bâ ”c được tính toán để giảm lực cản, thường được lựa chọn từ 0,04 đến 0,08 lần chiều rô ”ng phao
Góc đuôi máy bay thường nằm trong khoảng 7-9 độ Thiết kế này cho phép thủy phi cơ tăng góc tấn mà không gây va chạm giữa phần đuôi phao với mặt nước Nếu phần đuôi phao chạm nước, lực cản thủy động sẽ gia tăng, dẫn đến giảm khả năng tăng tốc và kéo dài thời gian cất cánh.
Có rất nhiều kiểu khác nhau của đáy phao và được lựa chọn cho phù hợp với 2 tiêu chí cất cánh nhanh và có khả năng đi trên mă ”t nước ổn định.
Hnh 47: Một số loại đáy
Các góc vát từ 20-30 độ mang lại hiệu suất cao cho thiết kế thủy phi cơ dựa trên nghiên cứu các thiết kế đã được sử dụng Tuy nhiên, trong thực tế, góc vát tối ưu có thể thay đổi tùy thuộc vào các yêu cầu thiết kế cụ thể và hình dạng đáy của thủy phi cơ, vì vậy góc vát nằm ngoài phạm vi này đôi khi vẫn có thể cho hiệu suất tốt hơn.
Ta có bảng thông số hình học phao như sau
Thể tích phao Bảo đo từ file stp
Chiều rô ”ng phao Đô ” rô ”ng bé nhất phao
Tỉ lê ” phần thân trước với thân sau 0.5 Đô ” cao bâ ”c phao 30mm
Chiều dài đoạn thẳng đáy phần trước phao
3.2 Kết cấu dầm và vỏ phao
Dầm dọc phao sử dụng thanh kim loại có tiết diê ”n hình vuông 12x12mm, dày0.8mm, được uốn theo hình dạng vỏ phao và đục lỗ 5mm
Vâ ”t liê ”u: Để đảm bảo khối lượng nhẹ nhất có thể, đối với dầm sử dụng nhôm, vỏ sử dụng composite
3.3.1 Mô phỏng khí động. a) Vùng tính toán.
Vùng tính toán được thiết kế là một hình chữ nhật bao quanh phao với chiều dài là 14m, chiều rộng là 4m và bề ngang là 4m Kích thước như vậy sẽ đảm bảo rằng các điều kiện biên đủ xa và xảy ra đúng với hiện tượng thực tế nhất có thể.
Hnh 48: Vùng tính toán b) Chia lưới
Sử dụng chia lưới tự động giống như mô hình ở mục 2.2 nhưng thêm 1 lệnh inflation để tạo bề mặt tiếp xúc trơn bên ngoài của mô hình Tổng số phần tử lưới đạt được khoảng 580 nghìn lưới.
Hnh 49: Chia lưới tự động c) Điều kiện biên
Sử dụng mô hình rối k-epsilon Realizable với phương trình Standard Xét máy bay ở chế đội bay cất cánh lên vật tốc khí đầu vào để bằng 20m/s và mật độ không khí 1,225 kg/m 3 d) Kết quả mô phỏng
Từ các điều kiện biên và vùng tính toán như trên ta thu được kết quả như sau
- Áp suất tạo ra trên bề mặt của của phao đạt giá trị lớn nhất là 241.1 Pa.
- Từ đó ta có thể tính toán được lực cản của phao chỉ khoảng 7.5N.
Nhận xét về kết quả mô phỏng.
Khi thiết kế phần phao, chúng em đã thay đổi rất nhiền để đảm bảo tính khí động của phao Mô phỏng cũng đã cho ra kết quả rất tốt chỉ khoảng 7.5 N lực cản đây là 1 con số khá nhỏ.
3.3.2 Mô phỏng bền của phao. a) Điều kiện biên của mô phỏng bền
Sau khi lấy kết quả mô phỏng từ Fluent thì ta xuất dữ liệu áp suất(imported pressure) sang Static structural để kiểm bền cho phao.
Thay thế lực tải trọng tác động lên phao gồm trọng lượng của thân phao và người ngồi bằng lực 650N tại vị trí mặt bích nối giữa càng và phao Đồng thời, mặt cố định được chọn là mặt dưới của phao, là mặt tiếp xúc với nước.
Hnh 52: Điều kiện biên b)Kết quả mô phỏng.
Hnh 53: Chuyển vị của phao
Hnh 54: Ứng suất của phao
Nhận xét kết quả mô phỏng
Qua tính toán, ứng suất lớn nhất trên phao chỉ vào khoảng 8MPa, chứng tỏ phao có độ bền cao, thậm chí còn rất dôi dư Vì đây là bộ phận chịu lực lớn khi hạ cánh nên nhóm đã đặt hệ số an toàn cho phao khá lớn nhằm đảm bảo tính an toàn của mô hình.
Càng
- Càng sau phải b Kết cấu mặt bích Để phù hợp với yêu cầu về kết nối với thân và phao Nên nối với mỗi bộ phận sẽ có hình dạng khác nhau.
Nối với thân, mặt bích sẽ có hình bầu dục Còn nối với phao, mặt bích sẽ có hình vuông được bo các cạnh
Hnh 58: Kích thước càng trước
Vì khoảng cách giữa 2 phao là khoảng 990 mm nên mỗi bên càng có chiều rộng 450 mm
Càng trước sẽ được uốn một đoạn 90 độ với bán kính là 320 mm, phần còn lại của ống ở đầu lắp thân và lắp phao có kích thước lần lượt là 130 mm và 30 mm Ống nhôm được lựa chọn là ống phi 34 có độ dày 2.75 mm
Càng sau bên phải và bên trái có thông số tương tự nhau, điểm khác biệt duy nhất là chiều uốn ngược nhau ở khúc uốn thứ 2 Càng sau trái uốn sang bên phải còn càng sau phải uốn sang trái Vì vậy, phần kích thước chỉ trình bày kích thước của phần bên trái, phần bên phải là tương tự.
Hnh 59: Kích thước càng sau trái
Chiều rộng của càng sau phải bằng càng trước nên cũng có chiều rộng là 450 mm
Càng sau được uốn thành 2 khúc Khúc đầu tiên là khúc uốn nhỏ, bán kính
170 mm, góc uốn 75 độ Khúc thứ 2 là khúc uốn lớn, bán kính 350 mm, góc uốn 90 độ.
Càng sau cũng được uốn từ ống phi 34 dày 2.75 mm
4.3.3 Kích thước mặt bích a Mặt bích lắp thân
Hnh 60: Mặt bích lắp thân b Mặt bích lắp phao
Hnh 61: Mặt bích lắp phao
Việc lựa chọn vật liệu đóng vai trò quan trọng đối với thủy phi cơ Vật liệu lý tưởng cần đáp ứng các tiêu chí về độ bền và độ cứng vững cao Đồng thời, khả năng uốn và tạo hình tốt cũng là yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo tính linh hoạt của thủy phi cơ Bên cạnh đó, vật liệu cần có trọng lượng nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của phương tiện này.
Qua mô phỏng và kiểm tra, vật liệu được chọn là hợp kim nhôm 7075. Các thông số vật lý như sau:
Thông số vật lý Số liệu Thông số vật lý Số liệu
Tỷ số poison (Poisson's Ratio)
572 MPa Độ bền mỏi (Fatigue Strength)
159 MPa Độ bền chảy dẻo do kéo (Tensile
71.7 GPa Độ bền cắt (Shear Strength)
4.5 Mô phỏng Điều kiện biên
Với kiếm bền của càng lên mô hình đã được cắt giảm những phần không ảnh hưởng tới độ bền của càng Với mặt cố định là mặt bích nối giữa càng và phao.
Lực đặt ở đây mô phỏng cho người ngồi và sức nặng của vật liệu phía trên thân Lực chúng em đăt ở đậy là 1800N.
Kết quả mô phỏng Ứng suất của mô hình:
Nhìn chung, ứng suất tập trung chủ yếu ở các phần cong của càng và tại các mối nối giữa thân chính và càng Tuy nhiên, ứng suất lớn nhất chỉ đạt 223.31MPa, chỉ bằng một nửa ứng suất cắt hoặc nén mà vật liệu có thể chịu được.
Chuyển vị của mô hình:
Nhìn chung, chuyển vị trên cánh của mô hình khá nhỏ, kể cả ở những vị trí chuyển vị lớn nhất chỉ khoảng 5mm Do đó, mô hình không chịu ảnh hưởng quá nhiều về mặt kết cấu.
Từ các kết quả nêu trên thì ta có thể kết luận được rằng mô hình trên đủ bền để có thể hoạt động tốt.
