Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu dưới tác dụng của tải khí động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - MAI VĂN ĐÔNG NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ MỎI KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI KHÍ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ HÀ NỘI – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - MAI VĂN ĐƠNG NGHIÊN CỨU DỰ ĐỐN TUỔI THỌ MỎI KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI KHÍ ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Vũ Đình Quý HÀ NỘI – 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Mai Văn Đông Đề tài luận văn: Ngiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu tác dụng tải trọng khí động Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí Mã số SV: CBC16004 Tác giả, người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 22/4/2017 với nội dung sau: Sửa lỗi chế Thống lại số thuật ngữ dịch từ tiếng nước sử dụng luận văn Sắp xếp lại hệ thống tài liệu tham khảo theo quy định Ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Vũ Đình Quý Mai Văn Đông CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Vũ Quốc Huy LỜI CAM ĐOAN Tôi – Mai Văn Đông, học viên lớp Cao học 2016BMTK - CLC06 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS Vũ Đình Quý – Viện Cơ khí động lực – Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng Tác giả Mai Văn Đông i năm 2017 Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn tốt nghiệp cho phép bảo vệ: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Giảng viên hướng dẫn TS Vũ Đình Quý ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ix ABSTRACT OF THESIS x LỜI MỞ ĐẦU xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI 1.1 Lý thuyết mỏi 1.1.1 Hiện tượng phá hủy mỏi 1.1.2 Các khái niệm 1.1.3 Giới hạn mỏi vật liệu 1.1.4 Tính tốn độ bền mỏi 10 1.1.5 Thuyết bền mỏi 12 1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới phá hủy mỏi 15 CHƯƠNG 2: TÍNH TUỔI THỌ MỎI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI KHÍ ĐỘNG 16 2.1 Quy trình chung 16 2.1.1 Xây dựng mơ hình 16 2.1.2 Tính ứng suất tác dụng lên kết cấu mô FSI ANSYS 19 2.1.3 Xác định thông số vật liệu 22 2.2 Lý thuyết mô FSI 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN TUỔI THỌ MỎI KẾT CẤU CÁNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 30 3.1 Tính tải khí động mơ số FSI 30 3.1.1 Chế độ bay 31 3.1.2 Chế độ lấy độ cao chế độ hạ độ cao 37 3.2 Tính tuổi thọ mỏi kết cấu cánh 40 3.2.1 Mơ hình cánh có kết cấu đặc với vật liệu gỗ balsa 40 3.2.2 Mơ hình cánh có kết cấu khung dầm với vật liệu gỗ balsa 45 3.2.3 Mơ hình cánh có kết cấu khung dầm với vật liệu composite 49 3.2.4 So sánh kết 50 iii CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52 4.1 Kết luận 52 4.2 Hướng phát triển 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Một chi tiết máy bị phá hủy mỏi Hình 2: Đặc trưng ứng suất thay đổi Hình 3: Mẫu thí nghiệm cho ứng suất uốn Hình 4: Sơ đồ thí nghiệm Hình : Kết thí nghiệm mỏi Hình 6: Đường cong S – N Hình 7: Biểu đồ giới hạn mỏi hệ tọa độ  a -  m Hình 8: Biểu đồ giới hạn mỏi hệ tọa độ  a -  m Hình 9: Các đường giới hạn 10 Hình 10: Đường giới hạn Goodman 11 Hình 11: Profile WE3.55-9.3 16 Hình 12: Hệ số chất lượng khí động vận tốc thay đổi [9] 16 Hình 13: Khung xương cánh máy bay không người lái 17 Hình 14: Dầm chống uốn 18 Hình 15: Dầm chống xoắn 18 Hình 16: Kết nối thân cánh 18 Hình 17: Mơ hình cánh dùng cho mô 19 Hình 18: Mơ FSI 20 Hình 19: Đối với trường hợp đầu vào FEA lực khí động 21 Hình 20: Đối với trường hợp đầu vào FEA nhiệt độ 21 Hình 21: Import tải khí động lên kết cấu 22 Hình 22: Đường cong mỏi S-N cho gỗ Balsa [3] 24 Hình 23: Đường cong mỏi cho Carbon Epoxy 230 UD [5] 24 Hình 24: Biểu thị bề mặt tương tác rắn lỏng 25 v Hình 25: Các chế độ bay 30 Hình 26: Miền tính toán 32 Hình 27: Chia lưới 32 Hình 28: Điều kiện biên cho toán 32 Hình 29: Phân bố áp suất lưng cánh 33 Hình 30: Phân bố áp suất bụng cánh 33 Hình 31: Phân bố áp suất 34 Hình 32: Phân bố vận tốc 34 Hình 33: Lực nâng lực cản máy bay không người lái 35 Hình 34: Lưu lượng dịng khí 36 Hình 35: Đồ thị số dư 36 Hình 36: Phân bố áp suất lưng cánh 37 Hình 37: Phân bố áp suất bụng cánh 38 Hình 38: Phân bố áp suất 38 Hình 39: Phân bố vận tốc 38 Hình 40: Lưu lượng khí 39 Hình 41: Đồ thị số dư 39 Hình 42: Mơ hình cánh đặc 40 Hình 43: Lưới mơ hình cánh đặc 41 Hình 44: Ngàm khu vực gốc cánh 42 Hình 45: Phân bố áp suất cánh bay 42 Hình 46: Phân bố áp suất bay lấy độ cao bay hạ độ cao 43 Hình 47: Bock tải tác dụng lên cánh 43 Hình 48: Tuổi thọ cánh 44 Hình 49: Hư hại cánh 44 Hình 50: Lưới mơ hình khung dầm 45 Hình 51: Mặt ngàm cố định 46 vi Hình 52: Phân bố ứng suất cánh bay 47 Hình 53: Phân bố ứng suất tren cánh lấy độ cao hạ độ cao 47 Hình 54: Tuổi thọ cánh 48 Hình 55: Hư hại cánh 48 Hình 56: Tuổi thọ cánh 49 Hình 57: Hư hại cánh 50 Hình 58: Chuyển vị mơ hình cánh đặc 50 Hình 59: Chuyển vị mơ hình cánh khung dầm Balsa 50 Hình 60: Chuyển vị cánh có kết cấu khung dầm Composite 51 vii Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay khơng người lái Hình 43: Lưới mơ hình cánh đặc Số lượng phần tử lưới 21312 phần tử số nút 119140, chất lượng lưới tương đối tối với hệ số Skewness trung bình 0.133, hệ số Orthogonal trung bình 0.95 Tuy nhiên với lưới chất lượng tốt thời gian tính tốn tăng lên - Thơng số vật liệu Vật liệu dùng cho mơ hình đặc vật liệu gỗ Balsa nặng trung bình với thơng số vật liệu đường cong mỏi S-N trình bày mục 2.1.3 - Đặt điều kiện biên Điều kiện biên yếu tố tối quan trọng để có mơ xác Theo báo khoa học tham khảo mơ tính tốn mỏi cho kết cấu cánh máy bay ta rút điều kiện tốn mơ FEA cho kết cấu sau: phần gốc cánh gắn với thân máy bay ngàm phần tải khí động (phân bố áp suất) thu từ mô CFD mục 3.1 đặt lên lớp vỏ cánh máy bay Như hình sau: 41 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay khơng người lái Hình 44: Ngàm khu vực gốc cánh Tải đặt vào tải khí động thu từ mơ CFD trường hợp, là: lấy độ cao, bay hạ độ cao Ba tải phương tác động lên cánh với đặc điểm phân bố vuông góc với bề mặt vỏ cánh, khác độ lớn Do tải thuộc dạng tải đơn trục tỷ lệ có biên độ thay đổi Vậy nên tạo block tải để thể biến đổi tải thay đổi chế độ bay Hình 45: Phân bố áp suất cánh bay 42 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay khơng người lái Hình 46: Phân bố áp suất bay lấy độ cao bay hạ độ cao Căn vào tải khí động tác dụng lên cánh qua chế độ bay ta thiết lập block tải gồm chu trình thay đổi tương ứng với chế độ bay khác Trong block tải tính đến hệ số tải 1.5 Hình 47: Bock tải tác dụng lên cánh - Xử lý kết Khi có đầy đủ kiện tốn tính tốn mỏi, ta sử dụng mơ đun Fatigue phần mềm Ansys để tính tốn tuổi thọ cánh máy bay khơng người lái có kết cấu đặc làm gỗ balsa Kết thu sau: 43 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái Hình 48: Tuổi thọ cánh Hình 49: Hư hại cánh 44 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái Kết mơ cho thấy, kết cấu chịu 109 chu trình bay mà khơng bị hư hại Điều tương ứng với việc kết cấu cánh đặc không bị phá hủy mỏi tác động tải khí động ba q trình bay bằng, bay lấy độ cao bay hạ độ cao Điều dễ thấy qua lý thuyết ứng suất lớn tác dụng lên cánh 1.5×0.0005 MPa, ứng suất nhỏ nhiều so với giới hạn mỏi vật liệu 13 Mpa 3.2.2 Mơ hình cánh có kết cấu khung dầm với vật liệu gỗ balsa - Xây dựng mơ hình Mơ hình khung dầm cánh dùng cho trường hợp mơ hình xây dựng mục 2.1.1 trình bày - Chia lưới mơ hình Lưới mơ hình khung dầm chia dày khu vực khớp nối dầm ngang xương dọc Đồng thời chia dày khu vực tiếp xúc mối ghép nối – nơi tập trung ứng suất truyền lực chi tết, việc giúp tăng độ xác cho kết mơ Hình 50: Lưới mơ hình khung dầm 45 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái Trong chia lưới có dùng cơng cụ Face sizing để thu lưới có chất lượng mong muốn, sau chia, lưới thu có số lượng nút số lượng phần tử 182419 64924 Chất lượng lưới tương đối tốt - Thông số vật liệu Vật liệu dùng cho mơ hình đặc vật liệu gỗ Balsa nặng trung bình với thơng số vật liệu đường cong mỏi S-N trình bày mục 2.1.3 - Điều kiện biên Tương tự đặt điề kiện biên cho trường hợp cánh đặc Các mặt phẳng tiếp xúc với thân ngàm có định tải đặt bề mặt lớp vỏ cánh Hình 51: Mặt ngàm cố định 46 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái Hình 52: Phân bố ứng suất cánh bay Hình 53: Phân bố ứng suất tren cánh lấy độ cao hạ độ cao - Kết 47 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái Kết thu sau: Hình 54: Tuổi thọ cánh Hình 55: Hư hại cánh 48 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái Kết mơ cho thấy, kết cấu chịu 109 chu trình bay mà khơng bị hư hại Điều tương ứng với việc kết cấu cánh đặc không bị phá hủy mỏi tác động tải khí động ba q trình bay bằng, bay lấy độ cao bay hạ độ cao Điều dễ thấy qua lý thuyết ứng suất lớn tác dụng lên cánh 1.5×0.000053 MPa, ứng suất nhỏ nhiều so với giới hạn mỏi vật liệu 13 Mpa 3.2.3 Mơ hình cánh có kết cấu khung dầm với vật liệu composite Trong trường hợp này, tồn phần mơ hình, chia lưới điều kiện biên giống hệt trường hợp Hai trường hợp khác vật liệu sử dụng Trường hợp cuối này, vật liệu dùng cho toàn kết cấu vật liệu composite Carbon Epoxy 230 UD với thông số đưa mục 2.1.3 luận văn Do giới hạn mỏi Carbon Epoxy 230 UD 600 MPa lớn nhiều so với giới hạn mỏi vật liệu gỗ balsa sử dụng trường hợp hai Vậy nên với vật liệu Composite kết cấu cánh khơng bị phá hủy mỏi Hình 56: Tuổi thọ cánh 49 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay khơng người lái Hình 57: Hư hại cánh 3.2.4 So sánh kết Qua tính tốn trên, ta thấy kết cấu cánh máy bay chịu tác động tải khí động trường hợp bay bằng, bay lấy độ cao bay hạ độ cao không bị phá hủy mỏi Hình 58: Chuyển vị mơ hình cánh đặc Hình 59: Chuyển vị mơ hình cánh khung dầm Balsa 50 Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay khơng người lái Hình 60: Chuyển vị cánh có kết cấu khung dầm Composite Tuổi mỏi kết cấu thu trường hợp vơ hạn xét vê tính khả thi chế tạo vật liệu Composite tối ưu vì: kết cấu có biến dạng nhỏ, vật liệu có ứng suất bền lớn nên giản lược kích thước số lượng chi tiết cánh Vì làm giảm khối lượng làm tăng tải trọng có ích cho UAV 51 Chương 4: Kết luận hướng phát triển CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Luận văn giải vấn đề “Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu chịu tác dụng tải trọng khí động” Đây đề tài tương đối phổ biến nước có ngành hàng không phát triển giới Mỹ nước châu Âu Ngành hàng không Việt Nam có bước phát triển mạnh mẽ, nghiên cứu vấn đề công việc thiết thực có tính ứng dụng cao Trong trình tiến hành nghiên cứu, vấn đề tiếp cận phương pháp số mơ phỏng, phân tích mỏi kết cấu Dựa vào nghiên cứu tác giả tài liệu tham khảo, vấn đề giải qua bước gồm: thứ nghiên cứu mô tương tác lỏng rắn FSI để xác định tải khí động tác động lên kết cấu cánh, thứ hai nghiên cứu quy trình dự đốn tuổi thọ mỏi kết cấu chịu tải trọng khí động, cuối ứng dụng tính tốn phân tích tuổi thọ mỏi kết cấu đươi tác dụng tải khí động Sau tính tốn phân tích mỏi, kết thu tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái với trường hợp vật liệu sử dụng khác Các kết thu so sánh với lý thuyết thấy phương pháp kết đạt có tương đồng Đề tài phức tạp có nhiều vấn đề cần giải Một khó khăn lớn bắt đầu thực đề tài xây dựng chi tiết cách ghép nối chi tiết thành mơ hình cánh máy bay hoàn chỉnh… Tuy nhiên, nhờ hướng dẫn tận tình thầy TS Vũ Đình Quý thầy cô môn Kỹ thuật Hàng hhông & Vũ trụ, luận văn thu số kết tốt 52 Chương 4: Kết luận hướng phát triển 4.2 Hướng phát triển - Mở rộng tính tốn chế độ bay khác máy bay chế độ cất cánh, hạ cánh, liệng, … - Xây dựng block tải với nhiều chế độ bay khác nhau, qua đánh giá xác tuổi mỏi cánh may bay - Từ sở nghiên cứu máy bay không người lái để nghiên cứu loại máy bay khác có kết cấu cánh phức tạp máy bay thương mại máy bay vận tải 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] André Noth (2008), Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight, pp 155 [2] A Ramesh Kumar, S R Balakrishnan, S Balaji (2013), “Design Of An Aircraft Wing Structure For Static Analysis And Fatigue Life Prediction”, International Journal of Engineering Research & Technology, pp all [3] Ion Chincea, Anghel Cernescu, Liviu Marsavina and Viorel A Serban (2010), “Fatigue Damage Evolution In Laminate Composites With Balsa Wood”, Cellulose Chemistry And Technology, pp 424 [4] Gene Hou, Jin Wang, Anita Layton (2010), “Numerical Methods for Fluid-Structure Interaction”, Global-Science Press, pp 341-366 [5] K Amarendra, Anil Kumar Rapuri (2016), “Dynamic Analysis Of A Wind Turbine Blade”, Advanced Research Journals Of Science And Technology, pp 138 [6] Lease, Swenson, and Stroede (1999), "Fatigue Analysis of an Aircraft Wing Spar", SAE Technical Paper, pp all [7] Lê Quang (2008), Động lực học vật bay, Giáo trình điện tử, pp 15-28 [8] Mai Văn Đơng, Hồng Minh Phương (2016), Nghiên cứu phân tích tải trọng độ bền mỏi kết cấu máy bay cỡ nhỏ, pp 11-22 [9] Nguyễn Văn Dinh, Bùi Đức Xuân (2015), Nghiên cứu ứng dụng pin mặt trời thiết kế chế tạo UAV dạng tàu lượn với tải trọng có ích 1kg, pp 22-31 [10] Sriranga B.k, Kumar R (2014), “Stress Analysis And Fatigue Life Prediction Of Wing-fuselage Lug Joint Attachment Bracket Of A Transport Aircraft”, International Journal of Research in Engineering and Technology, pp all 54 [11] Weifei Hu & K K Choi & Olesya Zhupanska & James H.J Buchholz (2015), “Integrating variable wind load, aerodynamic, and structural analyses towards accurate fatigue life prediction in composite wind turbine blades”, Springer, pp 382-389 [12] Software, Ansys Help 16.0 55 ... thọ mỏi tác dụng tải khí động - Cơ sở lý thuyết cho phương pháp tính tốn tải khí động mơ FSI - Quy trình tính tốn tuổi mỏi kết cấu chịu tải khí động Chương 3: Tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu cánh... độ bền mỏi giảm sút so với có kích thước nhỏ 15 Chương 2: Tính tuổi thọ mỏi tác dụng tải khí động CHƯƠNG 2: TÍNH TUỔI THỌ MỎI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI KHÍ ĐỘNG 2.1 Quy trình chung 2.1.1 Xây dựng mơ... nhiều nghiên khác nghiên cứu vấn đề này, điều chứng minh dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay quan trọng cần thiết Trong khuôn khổ luận văn này, việc nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu