Phân tích tải trọng và độ bền mỏi của càng máy bay cỡ nhỏ khi hạ cánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒNG MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ KHI HẠ CÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒNG MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ KHI HẠ CÁNH Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ THỊ TUYẾT NHUNG Hà Nội – Năm 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 : Hồng Minh Phương Đề tài luận văn: Phân tích tải trọng độ bền mỏi máy bay cỡ nhỏ hạ cánh Chuyên ngành: Kỹ thuật Máy thủy khí Mã số SV: CBC16005 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 25/10/2017 với nội dung sau: Sửa lỗi chế Sửa lỗi đánh số công thức Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tơi – Hồng Minh Phương, học viên cao ho ̣c mã số CBC16005, cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Lê Thị Tuyết Nhung – 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 tháng năm 2017 Tác giả Hoàng Minh Phương Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn thạc sĩ cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Giảng viên hướng dẫn TS Lê Thị Tuyết Nhung TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đề tài: “Phân tích tải trọng độ bền mỏi máy bay cỡ nhỏ hạ cánh” Càng máy bay phận quan trọng máy bay Tùy theo kích cỡ kiểu dáng máy bay mà có nhiều cấu hình khác Tuy nhiên chúng có điểm chung, hấp thụ lượng tải lớn máy bay cất hạ cánh, giúp q trình diễn an tồn Chính máy bay phận cần quan tâm để tránh khỏi hỏng hóc đáng tiếc, có hỏng hóc mỏi Luận văn nghiên cứu phân tích độ bền mỏi kết cấu máy bay cỡ nhỏ Kết luận văn đưa quy trình tính độ bền mỏi cho máy bay cỡ nhỏ, từ sở để phát triển lên mẫu máy bay có kích cỡ lớn ABSTRACT OF THESIS Subject: “Analysis of load and fatigue resistance of small aircraft’s landing gear” Landing gear is one of the important parts of the aircraft Depending on the size and type of aircraft, there are many different landing gear configurations However, they have a common point, which is capacity of absorbing a large amount of load when the aircraft take-off and landing, so it helps these processes taken place safely Therefore, landing gear is the important part to be analyzed to avoid the regrettable failures, including failure of fatigue This project analyzes the fatigue resistance of structural landing gear of small aircraft Results of this project will be the basis for development on the aircraft with larger sizes MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI 1.1 Hiện tượng phá hủy mỏi .1 1.2 Các khái niệm 1.3 Giới hạn mỏi vật liệu 1.4 Tính tốn độ bền mỏi 10 1.5 Thuyết bền mỏi 12 1.5.1 Thuyết bền Von Mises 12 1.5.2 Thuyết bền ứng suất tiếp lớn Tresca-Saint Venant 12 1.5.3 Thuyết bền Mohr .13 1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới phá hủy mỏi 13 1.6.1 Sự tập trung ứng suất 13 1.6.2 Trạng thái bề mặt 14 1.6.3 Kích thước 14 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 15 2.1 Tải trọng tĩnh máy bay đứng yên 15 2.2 Tải trọng động trường hợp máy bay di chuyển 16 2.3 Tải trọng trường hợp máy bay chạy taxi sau hạ cánh .19 CHƯƠNG III: QUY TRÌNH MƠ PHỎNG BÀI TỐN MỎI BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 21 3.1 Mục đích sử dụng phần mềm Ansys tính tốn 21 3.2 Quy trình phân tích mỏi Ansys 21 3.2.1 Thiết lập mơ hình 21 3.2.2 Chia lưới mơ hình 22 3.2.3 Xác định thông số vật liệu .23 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 28 4.1 Các thông số máy bay Cri-cri 28 4.1.1 Bản vẽ kích thước máy bay Cri-Cri 28 4.1.2 Các thông số máy bay Cri-Cri 31 4.2 Tính tốn tải trọng cho máy bay Cri-Cri MC .32 4.2.1 Tính tốn tải trọng tác dụng lên hạ cánh 32 4.2.2 Tính tốn tải trọng trường hợp máy bay chạy taxi 36 4.3 Phân tích mỏi máy bay 37 4.3.1 Xây dựng mơ hình 37 4.3.2 Xây dựng thông số vật liệu .41 4.3.3 Đặt điều kiện biên 43 4.3.4 Xử lý kết 44 4.3.4.1 Càng mũi hạ cánh (F n =582,84N) 44 4.3.4.2 Càng mũi chạy taxi (F n =593,27N) 46 4.3.4.3 Càng hạ cánh (F m =871.78N) .48 4.3.4.4 Càng chạy taxi (F m =609,16N) .50 4.3.5 Phân tích kết 52 KẾT LUẬN .56 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Hình ảnh chi tiết máy bị phá hủy mỏi Hình 2: Các đường đặc trưng chu trình ứng suất .3 Hình 3: Mẫu thí nghiệm cho ứng suất uốn Hình 4: Sơ đồ thực thí nghiệm Hình : Kết thí nghiệm mỏi Hình 6: Đường cong S – N Hình 7: Biểu đồ giới hạn mỏi hệ tọa độ σ a - σ m Hình 8: Biểu đồ giới hạn mỏi hệ tọa độ σ a - σ m Hình 9: Các đường giới hạn Hình 10: Đường giới hạn Goodman 10 Hình 11: Hình chiếu đứng hình chiếu cạnh máy bay 15 Hình 12: Sự dịch chuyển trọng tâm máy bay chuyển động 17 Hình 13: Phân bố tải trọng trường hợp máy bay chạy taxi 19 Hình 14: Giao diện mơ đun Static Structural 21 Hình 15: Cách nhập mơ hình 3D từ bên ngồi thơng qua cơng cụ .22 Hình 16: Bảng số liệu vật liệu thép cấu trúc .23 Hình 17: Nội suy tuyến tính từ thơng số vật liệu 24 Hình 18: Nội suy Log – Log .24 Hình 19: Nội suy bán Log 24 Hình 20: Cơng cụ mỏi tính tốn .25 Hình 21: Đồ thị tương ứng hệ số tỷ lệ r = -1 26 Hình 22 : Lựa chọn phương trình ứng suất Ansys 26 Hình 23: Máy bay Cri-Cri 28 Hình 24: Vị trí phận khác máy bay Cri-Cri .29 Hình 25: Bản vẽ mũi 30 Hình 26: Bản vẽ 31 Hình 27: Hình chiếu theo phương trực diện 32 Hình 28: Hình chiếu theo phương ngang .32 Hình 29: Đồ thị C d – α Re = 106 [13] .34 Hình 30: Càng mũi máy bay Cri Cri MC 38 Hình 31: Càng máy bay Cri Cri MC 38 Hình 32: Mơ hình mũi để tính tốn 39 Hình 33: Mơ hình để tính tốn 39 Hình 34: Chia lưới mơ hình mũi .40 Hình 35: Chia lưới mơ hình 40 Hình 36: Bảng thông số vật liệu hợp kim 2024 Ansys .41 Hình 37: Đường cong S – N vật liệu hợp kim 2024 42 Hình 38: Phân bố vật liệu mũi 42 Hình 39: Phân bố vật liệu 43 Hình 40: Điều kiện biên mũi .43 Hình 41: Điều kiện biên 44 Hình 42: Trường chuyển vị 44 Hình 43: Trường ứng suất 45 Hình 44: Phân bố tuổi thọ mỏi 45 Hình 45: Phân bố hư hại 46 Hình 46: Trường chuyển vị 46 Hình 47: Trường ứng suất 47 Hình 48: Trường tuổi thọ mỏi 47 Hình 49: Phân bố hư hại 48 Hình 50: Trường chuyển vị 48 Hình 51: Trường ứng suất 49 Hình 52: Trường tuổi thọ mỏi 49 Hình 53: Phân bố hư hại 50 Hình 54: Trường chuyển vị 50 Hình 55: Trường ứng suất 51 Hình 56: Trường tuổi thọ mỏi 51 Hình 57: Phân bố hư hại 52 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 39: Phân bố vật liệu 4.3.3 Đặt điều kiện biên Điều kiện biên là công việc cần thực Với mơ hình mũi, chi tiết kết nối với thân máy bay ngàm bậc tự do, lực đặt trục, nơi mà tiếp xúc với cụm bánh xe, tải trọng máy bay hạ cánh truyền qua cụm bánh đến cụm khớp nối Lug-joint Hình 40: Điều kiện biên mũi 43 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 41: Điều kiện biên 4.3.4 Xử lý kết Sau chạy kết quả, ta xuất hình ảnh để phân tích mỏi, gồm trường chuyển vị, trường ứng suất, tuổi thọ mỏi phân bố hư hại chi tiết 4.3.4.1 Càng mũi hạ cánh (Fn=582,84N) Hình 42: Trường chuyển vị 44 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 43: Trường ứng suất Hình 44: Phân bố tuổi thọ mỏi 45 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 45: Phân bố hư hại 4.3.4.2 Càng mũi chạy taxi (Fn=593,27N) Hình 46: Trường chuyển vị 46 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 47: Trường ứng suất Hình 48: Trường tuổi thọ mỏi 47 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 49: Phân bố hư hại 4.3.4.3 Càng hạ cánh (Fm=871.78N) Hình 50: Trường chuyển vị 48 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 51: Trường ứng suất Hình 52: Trường tuổi thọ mỏi 49 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 53: Phân bố hư hại 4.3.4.4 Càng chạy taxi (Fm=609,16N) Hình 54: Trường chuyển vị 50 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 55: Trường ứng suất Hình 56: Trường tuổi thọ mỏi 51 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ Hình 57: Phân bố hư hại 4.3.5 Phân tích kết Thơng qua hình ảnh mơ phỏng, ta có bảng kết giá trị chuyển vị lớn nhất, giá trị ứng suất lớn tuổi thọ mỏi trường hợp tính tải trọng Bảng 3: Giá trị chuyển vị lớn trường hợp tính Các trường hợp tính tải trọng Giá trị chuyển vị lớn (mm) Càng mũi hạ cánh 0,14 Càng mũi chạy taxi 0,15 Càng hạ cánh 5,78 Càng chạy taxi 4,25 Ta thấy mũi máy bay không chuyển vị nhiều trình hạ cánh chạy taxi, chuyển vị nhỏ so với kích thước 52 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ chi tiết Dựa hình ảnh mơ thấy chuyển vị lớn khu vực giá đỡ cụm bánh xe, chuyển vị nhỏ vị trí ngàm cố định Bảng 4: Giá trị ứng suất lớn trường hợp tính Các trường hợp tính tải trọng Giá trị ứng suất lớn (MPa) Càng mũi hạ cánh 199.03 Càng mũi chạy taxi 202,51 Càng hạ cánh 105,27 Càng chạy taxi 80,49 Giá trị ứng suất lớn chi tiết đạt khu vực khớp nối với thân bụng máy bay, vị trí sử dụng vật liệu hợp kim Al 2024 Ta thấy ứng suất lớn 202,51MPa mũi chạy taxi, giá trị nhỏ ứn suất chảy Al 2024 nhiều Như kết cấu chi tiết an toàn Bảng 5: Giá trị tuổi thọ mỏi trường hợp tính Các trường hợp tính tải trọng Giá trị nhỏ tuổi thọ mỏi Càng mũi hạ cánh 2x106 Càng mũi chạy taxi 2x106 Càng hạ cánh 2x106 Càng chạy taxi 2x106 Về chất coi tuổi thọ mỏi chi tiết tương ứng với số lần sử dụng loại trường hợp, tuổi thọ thiết kế chi tiết 106 tương ứng 106 lần sử dụng, tuổi thọ mỏi đạt giá trị tuổi thọ thiết kế, chi tiết bị mỏi Trong kết mô phỏng, tuổi thọ mỏi đạt giá trị x106 vị trí trục nối bánh xe Các giá trị tuổi thọ mỏi đó, bao gồm giá trị tuổi thọ mỏi mũi hạ cánh nhỏ xét với tuổi thọ thiết kế chi tiết 106 Mặc dù kết tuổi thọ mỏi chi tiết không bị ảnh hưởng, cần lưu ý tới chi tiết trục nối bánh xe, gây hư hại 53 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ có tác động tải trọng lớn hơn, qua thay vật liệu khác phù hợp có phương án thay sớm chi tiết khác Nhìn chung luận văn đưa kết trường hợp tính tốn khác máy bay Cri-Cri chế độ hạ cánh, chế độ chạy taxi Đây tiền đề để phát triển luận văn theo hướng khác phức tạp 54 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI  Hồn thiện tính tốn mỏi với cấu hình mũi Cri- Cri q trình hạ cánh chạy taxi  Mở rộng tính toán kiểm bền cho chế độ khác máy bay chế độ chạy taxi vịng, qua tổng hợp chế độ lại để đưa kết kiểm bền chi tiết máy bay  Từ sở nghiên cứu máy bay cỡ nhỏ nghiên cứu với chi tiết khác máy bay Cri –Cri với loại máy bay khác có kết cấu phức tạp máy bay thương mại máy bay vận tải 55 KẾT LUẬN Luận văn giải vấn đề “NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ” 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, đề tài tiếp cận theo hai phương pháp là: phương pháp giải tích q trình tính tốn, phân tích tải trọng cho mũi phương pháp số mơ phỏng, phân tích mỏi kết cấu Dựa vào nghiên cứu tác giả tài liệu tham khảo, vấn đề giải qua bốn bước gồm: thứ tìm hiểu cấu tạo, chức cấu hình khác để lựa chọn loại có cấu hình phổ biến ba điểm, thứ hai phân tích tải trọng tác động lên càng, thứ ba xây dựng mơ hình, cuối tính tốn phân tích kết mô cho chọn Sau tính tốn phân tích mỏi, kết thu trường chuyển vị trường ứng suất mũi máy bay Cri-Cri, kết cho thấy: kết cấu an toàn trường hợp tính tốn Ngồi ứng suất chuyển vị, ta thu tuổi mỏi hay số lần hạ cánh chạy taxi mà chịu được, kết hỗ trợ bảo dưỡng hay thay chi tiết trình sử dụng máy bay Đề tài “NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ” phức tạp có nhiều vấn đề cần giải Một khó khăn lớn bắt đầu thực đề tài tìm kiếm cấu hình máy bay với thơng số cụ thể kích thước, khoảng cách, khối lượng… Tuy nhiên, nhờ hướng dẫn tận tình TS Lê Thị Tuyết Nhung thầy cô môn Kỹ thuật Hàng Không & Vũ Trụ, luận văn hoàn thiện 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Prasad Kabade and Ravi Lingannavar, Design and Analysis of Landing Gear Lug attachment in an Airframe, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology IJRSET, Vol 2: 5358 – 5370, 2013 [2] Ravi Kumar, P.K Dash S.R Basavaraddi, Design and Analysis of Landing Gear Structure of a Transport Aircraft and Fatigue Life Estimation for the Critical Lug, International Journal of Mechanical and Production Engineering, Vol 1: 22-26, 2013 [3] Nikhil H.P, K Manonmani, P.Mohan Swami, Stress and Fatigue Analysis of Landing Gear of a Trainer Aircraft, IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol 04: 224 – 228, 2015 [4] Pedro Filipe Fernandes de Albuquerque, Structural Loads Handbook, Instituto Superior Técnico - University of Lisbon, Portugal, 2011 [5] Mohammad Sadraey, Landing Gear Design, Daniel Webster College, USA [6] Thoai D Nguyen, Finite Element Analysis of a Nose Gear During Landing, Master Thesis, University of North Florida, 2010 [7] PGS.TS Lê Quang, Lý thuyết vật bay, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 04 – 2015 [8] https://websrv1.ctu.edu.vn/coursewares/congnghe2/sucbenvatlieu/chuong4.htm, last visited Sept 2017 [9]http://www.telegraph.co.uk/finance/newsbysector/industry/engineering/1172983 8/Airbus-E-Fan-2.0-set-to-recreate-aviation-history-with-cross-Channel-flight-onlythis-time-its-electric.html, last visited Sept 2017 [10] Michel Colomban, AMM Cri – Cri [11] https://en.wikipedia.org/wiki/Viscosity, last visited Sept 2017 [12] https://en.wikipedia.org/wiki/Reynolds_number, last visited Sept 2017 [13] http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=fx72150b-il, last visited Sept 2017 [14] http://www.icosaedro.it/acm/manual/acmdoc.htm, last visited Sept 2017 57 ... giá tượng mỏi để kết thúc tốn phân tích mỏi 27 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 4.1 Các... theo trạng thái máy bay, tải trọng tác động lên máy bay bao gồm tải trọng tĩnh máy bay đứng yên tải trọng động máy bay di chuyển Giả sử máy bay có khối lượng W trọng tâm cg chịu tải trọng tĩnh mặt... (2.8) W Trong trình cất cánh hạ cánh, máy bay có xu hướng chịu tải trọng động Càng mũi chịu tải trọng động trình hạ cánh máy bay tác động phanh lên càng mũi Giả sử H cg độ cao trọng tâm cg so với