Nghiên cứu tính toán tuổi thọ mỏi trên kết cấu máy bay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ĐỨC PHÚ QUANG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TUỔI THỌ MỎI TRÊN KẾT CẤU MÁY BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ Hà Nội - Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ĐỨC PHÚ QUANG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TUỔI THỌ MỎI TRÊN KẾT CẤU MÁY BAY Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ QUỐC HUY Hà Nội - Năm 2017 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN LỜI MỞ ĐẦU Phần 1: Đặt vấn đề Phần : Cơ sở lí thuyết chung .4 Chương : Một số khái niệm liên quan .6 1.1 Hiện tượng phá hủy mỏi 1.2 Chu kì ứng suất đặc trưng chu trình ứng suất .6 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Các thông số đặc trưng chu trình ứng suất 1.3 Giới hạn mỏi vật liệu 1.3.1 Định nghĩa: 1.3.2 Đường cong mỏi S-N 1.3.3 Biểu đồ giới hạn mỏi 13 Chương : Thuật toán đếm số chu kì Rainflow 15 2.1 Một số thuật tốn đếm số chu kì 15 2.1.1 Đếm mức độ vượt qua 15 2.1.2 Đếm số đỉnh 16 2.1.3 Đếm số dãy đơn 17 2.2 Thuật toán Rainflow 18 2.2.1 Thuật toán Rainflow (Tiêu chuẩn ASTM) 20 2.3 Mã hóa Rainflow Matlab 22 Chương 3: Nghiên cứu tiêu chuẩn mỏi 23 3.1 Một số định nghĩa thường sử dụng 23 3.1.1 Ứng suất liên quan đến mặt phẳng kim loại 23 3.1.2 Đại lượng liên quan đến bất biến ứng suất 31 3.2 Một số tiêu chuẩn mỏi hay dùng 33 3.2.1 Phương pháp tiếp cận mặt phẳng giới hạn 34 3.2.2 Phương pháp tiếp cận dựa vào bất biến ứng suất 35 Chương 4: Nghiên cứu quy luật tích lũy tổn thất 40 4.1 Luật tích lũy Miner 40 4.2 Luật tích lũy DCA (Damage Curve Approach) 40 4.3 Luật tích lũy DLDR (Double linear damage rule) 43 Chương 5: Tải trọng ngẫu nhiên mà máy bay thường gặp 46 5.1 Giới thiệu 46 5.2 Các loại tải trọng khác c ấu trúc 47 5.2.1 Các loại phổ tải 47 5.2.2 Tìm hiểu chi tiết thông số tải 49 Chương 6: Tính tốn tuổi thọ kết cấu máy bay 55 6.1 Giới thiệu 55 6.2 Đặt vấn đề 56 6.2.1 Thiết kế mơ hình 56 6.2.2 Tải trọng FALSTAFF 58 6.3 Giải toán Ansys 58 6.4 Giải toán Matlab 64 Phần : Kết luận hướng phát triển 68 Tài liệu tham khảo 69 DANH MỤC HÌNH Hình Các chu trình ứng suất Hình Đường cong S-N vật liệu từ thí nghiệm .8 Hình Đường cong S-N hợp kim không sắt 10 Hình Đường cong S-N hợp kim thép dạng không thứ nguyên 10 Hình Đường cong S-N giá trị ứng suất giới hạn mỏi 12 Hình Biểu đồ giới hạn mỏi 13 Hình Sơ đồ đếm mức vượt qua 16 Hình Chu kì vẽ lại đếm mức độ vượt qua 16 Hình Sơ đồ đếm số đỉnh 17 Hình 10 Sơ đồ sau vẽ lại đếm số đỉnh 17 Hình 11 Sơ đồ đếm số dãy đơn 18 Hình 12 Sơ đồ thuật tốn Rainflow 19 Hình 13 Chu trình trễ, quan hệ ứng suất biến dạng 20 Hình 14 Mơ tả thuật toán Rainflow theo tiêu chuẩn ASTM 21 Hình 15 Thể tích ngun tố V mặt phẳng giới hạn  24 Hình 16 Ứng suất pháp N ứng suất tiếp C mặt phẳng  24 Hình 17 Đường cong  biên độ ứng suất trượt Ca 25 Hình 18 Xác định Ca cách vẽ đường tròn ngoại tiếp đường  26 Hình 19 Xác định biên độ ứng suất tiếp Ta biên độ trung bình Tm 27 Hình 20 Hệ tọa độ O.xyz hệ tọa độ O.nlr gắn với mặt phẳng giới hạn 28 Hình 21 Đường elip  miêu tả ứng suất trượt Ca 30 Hình 22 Đường cong S-N với mức ứng suất 40 Hình 23 Sơ đồ tích lũy phá hủy với mức ứng suất 41 Hình 24 Kết tính cho VD tích lũy DCA 43 Hình 25 Sơ đồ tích lũy mỏi DLDR 43 Hình 26 Sơ đồ tích lũy mỏi tốn DLDR 45 Hình 27 Mối liên hệ CL alpha biên dạng cánh 57 Hình 28 Lựa chọn vật liệu Ansys 59 Hình 29 Đường cong S-N vật liệu Al2024 59 Hình 30 Chương trình nội suy đường cong S-N vật liệu matlab 60 Hình 31 Mơ hình cánh có biên dạng NACA 64A215 61 Hình 32 Chia lưới mơ hình 61 Hình 33 Mặt cố định mơ hình 62 Hình 34 Đặt lực lên mơ hình cánh 62 Hình 35 Ứng suất lớn gốc cánh 63 Hình 36 Tuổi thọ mỏi tính theo module Ansys 63 Hình 37.Ma trận Rainflow theo Ansys 64 Hình 38 File Falstaff sau chia thành block 64 Hình 39 Tính ứng suất tương đương theo tiêu chuẩn VHN 65 Hình 40 Tuổi thọ thu thơng qua Matlab 66 Hình 41 Tính toán với lực thay đổi cánh 66 LỜI CAM ĐOAN Tôi - Phạm Đức Phú Quang, học viên cao học mã số 16011, cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Vũ Quốc Huy- Bộ môn Kĩ thuật hàng không vũ trụ- Viện Cơ khí Động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày 30 tháng 04 năm 2017 Tác giả Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn thạc sĩ cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày 30 tháng 04 năm 2017 Giảng viên hướng dẫn TS Vũ Quốc Huy TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Hiện tượng phá hủy mỏi nghiên cứu từ lâu trở thành môn khoa học thiếu kĩ sư, đặc biệt kĩ sư ngành hàng không Trường hợp tổng tốn chi tiết chịu ứng suất đa trục có biên độ phức tạp Đồ án tập trung nghiên cứu trường hợp đó, đưa chương trình phần mềm nhằm mục đích tính tốn mức độ tích lũy mỏi,dự đoán tuổi thọ chi tiết, sử dụng chương trình để tính tốn cho số toán cụ thể Kết thu từ chương trình có độ xác cao kiểm thử so với kết thực nghiệm Chương trình áp dụng với nhiều vật liệu công cụ đắc lực hỗ trợ kĩ sư việc tính tốn mỏi ABSTRACT OF THESIS The phenomena “Fatigue” is research for a long time and becam a very important scientific subject for the engineers, especially for the aeronautic engineers The most general research of this phenomena is multiaxial stress with the complicated amplitude This thesis will focus on studying this situation, presenting a program on Matlab to analyze the accumulative level, predict the life of specimen sustained complicated loading and using this program to calculate some applications The results is highly accurate and is experimented This program is applicable to many materials and will become useful instrument for the engineers in the fatigue calculation LỜI MỞ ĐẦU Được phân cơng viện Cơ khí Động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đồng ý thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Quốc Huy thực đề tài “Nghiên cứu tính tốn tuổi thọ mỏi kết cấu máy bay” Để hồn thành luận văn, tơi xin chân thành thầy cô môn Kĩ thuật hàng không Vũ trụ, đặc biệt TS Vũ Quốc Huy tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tiếp theo, xin cám ơn nghiên cứu bậc thầy trước mở hướng đi, hướng tư giúp hoàn thành luận văn Ngoài xin cám ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, tiếp sức, cung cấp thêm kiến thức tài liệu để tính tốn xác thực tế Mặc dù có nhiều cố gắng buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận thực tế kinh nghiệm cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa thấy Tơi mong góp ý q Thầy, Cơ bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn chỉnh Tôi xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2017 Tác giả Phạm Đức Phú Quang Phần 1: Đặt vấn đề Phần 1: Đặt vấn đề Hiện tượng phá hủy mỏi phát từ kỉ XIX từ lâu giới hạn bền mỏi coi đặc trưng tính tốn chủ yếu để xác định kích thước chi tiết máy phận cơng trình Ngày nay, phần lớn chi tiết máy kết cấu làm việc thực tế chịu ứng suất thay đổi theo thời gian Thực tế chứng minh chi tiết máy bị phá hỏng chịu ứng suất có giá trị nhỏ nhiều so với trường hợp ứng suất không đổi Quan sát phá hủy chi tiết chịu ứng suất thay đổi, người ta thấy trình phá hủy vết nứt nhỏ sinh từ vùng chi tiết máy chịu ứng suất tương đổi lớn, số chu trình làm việc chi tiết tăng lên vết nứt mở rộng dần chi tiết ngày yếu cuối xảy gãy hỏng chi tiết Hiện tượng mỏi lĩnh vực khí nói chung hàng khơng nói riêng xảy nhiều chi tiết, phận Ví dụ đáp máy bay chịu ứng suất lần cất hạ cánh hay dầm cánh máy bay chịu ứng suất uốn, Vì thế, tượng mỏi đặt nhiều thách thức cho kĩ sư nhà nghiên cứu lĩnh vực hàng không Đối với kết cấu, tượng mỏi tồn chủ yếu hai dạng Đó mỏi đơn trục mỏi đa trục Mỏi đơn trục tượng mà chi tiết chịu ứng suất theo phương định, ví dụ máy bay chịu ứng suất dọc trục lần cất hạ cánh, Mỏi đa trục tượng mà chi tiết chịu ứng suất theo nhiều phương khác nhau, ví dụ cánh máy bay chịu ứng suất uốn – xoắn kết hợp… Hiện tượng mỏi đơn trục nghiên cứu phổ biến đạt độ xác cao dự đốn tuổi thọ vật liệu Vì thế, đồ án này, chúng em tiếp tục kế thừa phát triển toán mỏi lên mức độ cao nghiên cứu tượng mỏi đa trục với biên độ ứng suất thay đổi phức tạp Cái khó tốn tượng mỏi đa trục kết hợp với giá trị biên độ ứng suất thay đổi liên tục không tuân theo quy luật Vì vậy, để giải vấn đề trên, phần Cơ sở lí thuyết, chương 1, chương 2, chương chương 4, Phần : Tính tốn tuổi thọ kết cấu máy bay Phần 3: Tính tốn tuổi thọ kết cấu máy bay Cấu trúc cánh bao gồm bề mặt cánh, khung sườn, dầm giàn chống đỡ Các dầm mang tải trọng chuyến bay trọng lượng máy bay mặt đất Các gân tăng cứng giàn chống gắn liền với dầm Cánh phận quan trọng việc tạo lực nâng cho máy bay Việc thiết kế cánh biến đổi tùy theo loại máy bay cơng sử dụng chúng Các thí nghiệm kiểm tra cấu trúc cánh thường đắt đỏ tốn nhiều thời gian Trong phần này, cánh thiết kế phần mềm NX sau việc tính toán ứng suất thực phần mềm ANSYS để xuất điểm chịu ứng suất kéo lớn Việc dự đoán tuổi thọ yêu cầu mơ hình cho phá hủy tích lũy mỏi, liệu biên độ số cho hệ số biến đổi ứng suất chuỗi ứng suất địa phương Đáp ứng cánh đánh giá Trong nghiên cứu này, dự đoán tuổi thọ cho vết nứt ban đầu xảy vị trí ứng suất lớn 6.1 Giới thiệu Trong cấu trúc cánh máy bay, dầm giàn thiết kể để hỗ trợ kết cấu cho cánh Mặc dù mục tiêu việc thiết kế cánh giai đoạn phát triển độ chắn, nhiên việc thiết kế cánh phải kết hợp với tính tốn mỏi, ăn mịn,… Những cấu trúc máy bay đại thiết kế theo triết lí semi monocoque Đó thiết kế rỗng có dầm giàn gân tăng cứng Mơ hình phần tử hữu hạn đại thành phần máy bay bao gồm hàng chục ngàn bậc tự dùng để xác định độ dày để tránh mức ứng suất vượt hay biến dạng Mục đích việc thiết kế giảm hạn chế việc tập trung ứng suất, ứng suất dư, ăn mòn, vết nứt xuất dẫn đến phá hủy chi tiết Thiết kế đạt thông qua việc lựa chọn vật liệu, mức ứng suất chịu được, xếp tải trọng Việc tính tốn cho chu kì tải trọng hay số block mà vật liệu chịu Quá trình thử nghiệm mỏi tích hợp vào chương 55 Phần : Tính tốn tuổi thọ kết cấu máy bay trình cho kết tích lũy phá hủy mỏi Mức ứng suất điều chỉnh để đạt thiết kế tuổi thọ mỏi yêu cầu Máy bay trình thực chuyến bay tập trung ứng suất uốn cánh Nếu khơng có hỗ trợ, cánh bị bẻ cong phía máy bay Các dầm giàn có nhiệm vụ mang tải trọng bay trọng lượng máy bay mặt đất 6.2 Đặt vấn đề 6.2.1 Thiết kế mơ hình a Lựa chọn vật liệu AA 2024 T351 sử dụng cấu trúc cánh máy bay độ chắn cao đặc trưng chống lại tượng mỏi Thành phần % theo khối lượng Nhôm 90.7 -94.7 Crom