Phân tích đáp ứng của profile cánh máy bay theo cách tiếp cận đối ngẫu

Phân tích đáp ứng của profile cánh máy bay theo cách tiếp cận đối ngẫu Phân tích đáp ứng của profile cánh máy bay theo cách tiếp cận đối ngẫu Phân tích đáp ứng của profile cánh máy bay theo cách tiếp cận đối ngẫu 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ o0o NGUYỄN MINH TRIẾT PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA PROFILE CÁNH MÁY BAY THEO CÁCH TIẾP CẬN ĐỐI NGẪU Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH Nguyễn Đông Anh PGS.TS Phạm Mạnh Thắng HÀ NỘI - 2017 II LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn khoa học GS.TSKH Nguyễn Đông Anh PGS.TS Phạm Mạnh Thắng, thầy trực tiếp hƣớng dẫn tận tình giúp tơi hồn thành luận án Tơi chân thành cảm ơn nhà khoa học cán khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa, trƣờng Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017 Nguyễn Minh Triết III LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận án Nguyễn Minh Triết năm 2017 IV MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN II LỜI CAM ĐOAN III MỤC LỤC IV DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .VI DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VIII DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ KHỐI IX MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 4.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 4.2 Hƣớng giải 4.3 Kết dự kiến Cấu trúc luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BÀI TỐN PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA THIẾT DIỆN CÁNH 1.1 Khái niệm khí đàn hồi 1.2 Các nghiên cứu đáp ứng thiết diện cánh 1.3 Thiết diện cánh phi tuyến 13 1.4 Một số nghiên cứu liên quan nƣớc 16 1.5 Cách tiếp cận đối ngẫu 18 1.6 Vấn đề nghiên cứu luận án 19 Kết luận chƣơng 20 CHƢƠNG MƠ HÌNH CƠ HỌC CỦA THIẾT DIỆN CÁNH CHUYỂN ĐỘNG TRONG DỊNG KHÍ .21 2.1 Lực khí động dừng tựa dừng 21 2.1.1 Lực khí động dừng 21 2.1.2 Lực khí động tựa dừng 25 2.2 Phƣơng trình chuyển động thiết diện cánh 28 2.3 Hiện tƣợng flutter 30 2.3.1 Hiện tƣợng ổn định bậc tự 30 2.3.2 Hiện tƣợng ổn định bậc tự 32 2.4 Tính tốn vận tốc flutter hệ tuyến tính 34 2.4.1 Hệ tự dao động tổng quát 34 2.4.2 Thiết diện cánh chiều có điều khiển PID 36 V 2.5 Tính toán thiết diện cánh phƣơng pháp CFD 37 2.5.1 Mơ khí động lực mơ hình cánh máy bay 38 2.5.2 Tối ƣu hình dạng khí động sử dụng phƣơng pháp SQP 45 2.5.3 Mô CFD cánh máy bay với góc tới lớn 53 Kết luận chƣơng 61 CHƢƠNG PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT ĐỐI NGẪU CHO BÀI TOÁN DAO ĐỘNG PHI TUYẾN 62 3.1 Phƣơng pháp tuyến tính hóa tƣơng đƣơng 62 3.1.1 Tiêu chuẩn tƣơng đƣơng kinh điển 63 3.1.2 Tiêu chuẩn sai số 64 3.1.3 Tiêu chuẩn tƣơng đƣơng điều chỉnh 65 3.2 Tiêu chuẩn đối ngẫu có trọng số 66 3.3 Những cải tiến phƣơng pháp đối ngẫu có trọng số 68 3.3.1 Cải tiến .68 3.3.2 Cải tiến .69 3.3.3 Cải tiến .69 3.4 Áp dụng cho dao động tự hệ phi tuyến dạng Duffing bậc cao 70 3.5 Áp dụng cho dao động ngẫu nhiên .73 CHƢƠNG ÁP DỤNG KỸ THUẬT TUYẾN TÍNH HĨA ĐỐI NGẪU CHO BÀI TỐN PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG PHI TUYẾN CỦA THIẾT DIỆN CÁNH 76 4.1 Mô hình thiết diện cánh 76 4.2 Phƣơng trình xác định vận tốc tới hạn 79 4.3 Áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa đối ngẫu 81 4.4 Các ví dụ tính tốn phƣơng trình vi phân .84 4.4.1 Số liệu đầu vào 84 4.4.2 Tìm vận tốc tới hạn phƣơng pháp số 87 4.5 Kết tính tốn với ví dụ 89 4.6 Kết tính tốn với ví dụ 90 4.7 Kết tính tốn với ví dụ 92 4.8 Kết tính tốn với ví dụ 94 4.9 Kết tính tốn với ví dụ 97 Kết luận chƣơng .100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 116 VI DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A véc tơ hàm phi tuyến AoA Góc tới góc nâng (Angle of Attack) B véc tơ, hàm tuyến tính tƣơng đƣơng b, k hệ số tuyến tính hóa tƣơng đƣơng C hệ số chuẩn hóa CL, CD, CM Các hệ số khí động (nâng, cản, mô men) c1,ktt,kα hệ số độ cứng tuyến tính c3 , c5 hệ số độ cứng phi tuyến CAD Thiết kế với hỗ trợ máy tính (Computer-Aided Design) CFD Động lực học chất lỏng tính tốn (Computational fluid dynamics) CSM Mơ hình cấu trúc tính tốn (Computational Structural Model) D Lực cản (Drag) dk(µ) tỉ số hệ số tuyến tính hóa theo tiêu chuẩn Dxx (t1 , t2 ), D12 hiệp phƣơng sai e  x, x  sai số phƣơng trình E{.}, kỳ vọng tốn học f(t), u(t) kích động ngồi F(x) hàm phân phối xác suất FSI Tƣơng tác dịng khí kết cấu (Fluid Structure Interaction) g  x, x  hàm phi tuyến dịch chuyển h hệ số cản tuyến tính H ( x, x) hàm tổng lƣợng KKT Phƣơng trình Karush-Kuhn-Tucker K(x,t) ma trận hệ số khuếch tán Kp, Ki, Kd Các hệ số điều khiển PID L Lực nâng (Lift) LCO Dao động vòng giới hạn (Limit Cycle Oscillation) VII m khối lƣợng minS giá trị cực tiểu tiêu chuẩn tuyến tính hóa mx trung bình xác suất p trọng số p(μ) hàm trọng số P{.} xác suất kiện PID Bộ vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) PTTH Phần tử hữu hạn (Finite Element) q Áp suất khí động lực r hệ số tƣơng quan R(t1,t2) hàm tƣơng quan RANS Hệ Reynolds Navier-Stokes (Reynolds Averaged Navier-Stokes) Re Số Reynolds S biểu thức tính diện tích SQP Lập trình tồn phƣơng liên tiếp (Sequential Quadratic Programming) Sx(ω) hàm mật độ phổ T chu kỳ dao động t thời gian TMD Bộ hấp thụ dạng khối lƣợng (Tuned Mass Damper) TTH Tuyến tính hóa (Linearization) UAV Máy bay khơng ngƣời lái (Unmanned aerial vehicle) u, v(t ), x(t ) vận tốc x(t) dịch chuyển x t  gia tốc X, Y biến ngẫu nhiên α, β hệ số hằng, góc tới δ(x) hàm Delta Dirac θ góc hai véc tơ VIII λ hệ số trở μ mức độ phụ thuộc tuyến tính 𝜌 Khối lƣợng riêng μn mô men trung tâm μnm mô men liên kết trung tâm σx độ lệch chuẩn  x2 phƣơng sai τ độ trễ ω tần số kích động ω0 tần số dao động tự IX DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Tam giác khí đàn hồi Collar Hình Mơ hình thiết diện cánh hai chiều, lực khí động quy lực tập trung Hình Mơ hình cánh theo bị ngàm Hình Mơ hình cánh phẳng, lực khí động tính CFD Hình Mơ hình kết hợp CFD-CSM Hình Mơ hình thiết diện cánh chiều có cánh nhỏ điều khiển Hình Phi tuyến bậc ba phi tuyến khe hở tự Hình Dao động vịng giới hạn điển hình Hình Một số thuật ngữ cánh Hình 10 Dòng dừng qua thiết diện cánh chiều Hình 11: Đƣờng dịng đƣờng đẳng xốy chiều gốc tọa độ Hình 12: Dịng khơng dừng qua thiết diện cánh Hình 13 Mơ hình cánh bậc tự Hình 14: Mơ hình lực chất lỏng tác động vào hệ bậc tự Hình 15 Các hệ số khí động theo góc xung kích Hình 16 Mơ tả tƣợng ổn định lên xuống –xoắn Hình 17 Phác thảo thiết kế thiết diện cánh máy bay Hình 18 Mơ hình cánh máy bay tạo ANSYS Hình 19 Chia lƣới ANSYS Hình 20 Biểu đồ phân bố áp suất Hình 21 Biểu đồ phân bố vận tốc Hình 22: Ứng suất tƣơng đƣơng cánh Hình 23 Quan hệ lực nâng với vận tốc tƣơng đối Hình 24 Quan hệ lực cản với vận tốc tƣơng đối Hình 25 Hình dạng thiết diện cánh máy bay ban đầu cánh tối ƣu Hình 26 Hình ảnh phân bố áp suất Re=5.105 =5o thiết diện cánh Eppler 66 (hình trái) thiết diện tối ƣu theo SQP (hình phải) X Hình 27 Hình ảnh phân bố vận tốc Re=5.105 =5o thiết diện cánh Eppler 66 (hình trái) thiết diện tối ƣu theo SQP (hình phải) Hình 28: Hình ảnh phân bố ứng suất cánh Re=5.105 =5o thiết diện cánh Eppler 66 (hình trái) thiết diện tối ƣu theo SQP (hình phải) Hình 29 Phác họa thiết diện đặc trƣng cánh máy bay Hình 30 Hình học hình dạng cánh Hình 31 Biểu đồ phân bố áp suất (trái) phân bố vận tốc dịng khí xung quanh cánh góc tới độ Hình 32 Biểu đồ phân bố áp suất (trái) phân bố vận tốc dịng khí xung quanh cánh góc tới 10 độ Hình 33 Biểu đồ phân bố áp suất (trái) phân bố vận tốc dịng khí xung quanh cánh góc tới 18 độ Hình 34 Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tới Hình 35 Đồ thị hệ số lực cản theo góc tới Hình 36 Mơ hình khí động với bậc tự tịnh tiến xoắn Hình 37 Mơ hình giản đồ bố trí thí nghiệm Hình 38 Mơ hình giản đồ số liệu đầu vào đầu cho việc đo điều khiển mơ hình thí nghiệm Hình 39 Biên flutter ví dụ tính theo phƣơng pháp số đƣợc đề cập luận án Hình 40 Biên flutter ví dụ (cắt từ báo Li vcs 2011) Hình 41 Kết so sánh đƣờng cong biên độ-vận tốc ví dụ Hình 42 Kết so sánh đƣờng cong tần số-vận tốc ví dụ Hình 43 Kết so sánh đƣờng cong biên độ-vận tốc ví dụ 3, Kp=-0.5 Hình 44 Kết so sánh đƣờng cong biên độ-vận tốc ví dụ 3, Kp=0.5 Hình 45 Kết so sánh đƣờng cong biên độ-vận tốc ví dụ 4, Ki=-2 (1/s) Hình 46 Sự phân kỳ dao động xoắn ví dụ Ki=2 (1/s), h(0)=0(m), (0)=0.0125(rad), u=2.6 (m/s) Hình 47 Kết so sánh đƣờng cong biên độ-vận tốc ví dụ 5, Kd=-0.5 (s) Hình 48 Kết so sánh đƣờng cong biên độ-vận tốc ví dụ 5, Kd=0.5 (s) ... cách tiếp cận nghiên cứu kết cấu hàng không vũ trụ Nhƣ qua phân tích nghiên cứu tài liệu khoa học cơng nghệ khẳng định đề tài “PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG PHI TUYẾN CỦA THIẾT DIỆN CÁNH THEO CÁCH TIẾP CẬN... tốc độ cho chuyến bay Khi máy bay chuyển động dòng khí xuất hiệu ứng khí động học, dao động flutter thiết diện cánh máy bay đƣợc quan tâm Phân tích đáp ứng thiết diện cánh máy bay toán quan trọng... thiết diện cánh đề tài tập trung phát triển cách tiếp cận đối ngẫu để xây dựng kỹ thuật tính tốn với cách mở rộng tiêu chuẩn đối ngẫu cho tốn phân tích đáp ứng phi tuyến thiết diện cánh dƣới tác