Máy bay thường được cấu tạo từ các thành phần cơ bản bao gồm cánh, thân, bộ phận đuôi và các bề mặt điều khiển. Nhưng với từng loại máy bay cụ thể lại có những sự thay đổi riêng, ví dụ: một chiếc máy bay cánh delta sẽ không nhất thiết phải có đuôi nằm ngang, mặc dù nó vẫn xuất hiện trên dạng cánh mũi của dòng Eurofighter (Typhoon). Mỗi thành phần đều có một hoặc nhiều chức năng cụ thể, và chúng phải được thiết kế để đảm bảo có thể thực hiện các chức năng này một cách an toàn. Trong chương này, chúng em sẽ tập trung mô tả về những tải khác nhau mà các thành phần kết cấu của máy bay phải chịu, cũng như chức năng, cách thức chế tạo, và cả các thiết kế giúp kết nối các thành phần đó lại với nhau.
Chương IV : Lắp ghép thử nghiệm BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o BÁO CÁO TẢI TRỌNG VÀ KẾT CẤU VẬT BAY Đề tài: Các thành phần kết cấu máy bay Tính khả phi Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh - 20150096 Nguyễn Khắc Thái - 20153349 Nguyễn Tuấn Hùng - 20151804 Hà Quang Trung - 20153960 Phạm Văn Mười - 20152514 Lớp Kỹ thuật Hàng không – k60 Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Đình Quý HÀ NỘI, 04/2019 Báo Cáo Môn Tải Trọng Và Độ Bền Kết Cấu Vật Bay MỤC LỤC Danh mục hình ảnh I Các thành phần kết cấu máy bay Máy bay thường cấu tạo từ thành phần bao gồm cánh, thân, phận đuôi bề mặt điều khiển Nhưng với loại máy bay cụ thể lại có thay đổi riêng, ví dụ: máy bay cánh delta khơng thiết phải có nằm ngang, xuất dạng cánh mũi dịng Eurofighter (Typhoon) Mỗi thành phần có nhiều chức cụ thể, chúng phải thiết kế để đảm bảo thực chức cách an toàn Trong chương này, chúng em tập trung mô tả tải khác mà thành phần kết cấu máy bay phải chịu, chức năng, cách thức chế tạo, thiết kế giúp kết nối thành phần lại với 1.1 Các loại tải thành phần kết cấu Kết cấu máy bay đòi hỏi phải chịu hai loại tải riêng biệt: Đầu tiên “tải mặt đất”, bao gồm tất tải xuất trình di chuyển vận chuyển máy bay mặt đất, ví dụ tải taxi hạ cánh, máy bay kéo nâng lên Thứ hai “tải khí động”, bao gồm tải mà kết cấu phải chịu suốt trình bay, gây nên thao tác điều khiển gió giật Ngoài ra, máy bay thiết kế cho số vai trò cụ thể gặp phải tải đặc thù riêng xuất trình hoạt động chúng, chẳng hạn: Máy bay tàu sân bay phải chịu tải từ hệ thống phóng từ trình hãm hạ cánh; Hầu hết máy bay dân dụng lớn tất máy bay quân phải có khoang cabin điều áp để bay cao; Thủy phi phải có khả hạ cánh mặt nước, máy bay thiết kế để bay với tốc độ cao độ cao thấp - Tornado, lại đòi hỏi kết cấu có độ bền trung bình để chịu tác động chuyến bay điều kiện khơng khí hỗn loạn Hai loại tải lại chia nhỏ thành loại lực: Các “lực bề mặt” tác động lên bề mặt kết cấu, chẳng hạn áp lực khí động áp lực thủy tĩnh; Và “lực khối” (lực thể tích) tác động lên khối kết cấu (thể tích kết cấu), tạo tác dụng lực hấp dẫn lực qn tính Tính tốn phân bố áp lực khí động bề mặt khác kết cấu máy bay có sẵn nhiều tài liệu khí động học, khơng trình bày Thay vào đó, thảo luận loại tải tạo tác nhân trên, ảnh hưởng chúng tới thành phần kết cấu khác máy bay Về bản, tất “tải khí động” kết phân bố áp lực bề mặt lớp vỏ Sự phân bố tạo nên điều kiện bay ổn định, thao tác điều khiển gió giật mạnh Nói chung, “tải khí động” gây tải trực tiếp, uốn, cắt, xoắn tất thành phần kết cấu máy bay, bên cạnh tải áp lực cục thường tác dụng lên lớp vỏ Máy bay thông thường thường bao gồm thân, cánh cánh đuôi Thân máy bay chứa phi hành đoàn hành khách, hành lý, hàng hóa, vũ khí, nhiên liệu, tùy thuộc vào loại máy bay chức nó; cánh cung cấp lực nâng, cánh đóng vai trị chủ đạo việc điều khiển hướng Bên cạnh đó, cánh liệng, cánh lái độ cao phanh khí động cho phép phi công điều khiển máy bay trì ổn định chuyến bay, cánh tà sau cung cấp gia tăng lực nâng cần thiết cho việc cất hạ cánh Hình cho thấy lực khí động điển hình máy bay, thực nghiệm qua chuyến bay ổn định Hình 1: Các lực khí động tác động lên máy bay suốt chuyến bay Lực tác dụng lên bề mặt khí động học (cánh, dọc đuôi ngang) kết phân bố áp lực chênh lệch, gây góc đặt cánh, độ vồng hai Sự phân bố áp lực vậy, biểu diễn Hình (a), có hợp lực dọc (nâng) ngang (kéo) đóng vai trò tâm áp (CP) (Trong thực tế, lực nâng lực kéo đo vng góc song song với đường bay, riêng biệt nhau) Rõ ràng, vị trí tâm áp (CP) thay đổi phân bố áp lực thay đổi theo tốc độ góc đặt cánh Hình 2: (a) Sự phân bố áp lực xung quanh biên dạng cánh; (b) Chuyển tải lực nâng kéo tải lên tâm khí động Hình 3: Sự khác biệt góc đặt cánh (incidence) góc (angle of attack) Tuy nhiên, thật thuận tiện có điểm phần biên dạng cánh, mà mơmen tạo lực nâng lực kéo ln khơng đổi Do đó, ta thay lực nâng lực kéo tác dụng tâm áp (CP) lực nâng lực kéo tác dụng trọng tâm lực khí động (AC) cộng với mơmen khơng đổi , Hình (b) (Trên thực tế, tốc độ Mach cao, vị trí AC thay đổi hiệu ứng nén dòng) Trong phân bố áp lực theo chiều dây cung giúp cố định vị trí tải khí động tiết diện cánh, phân bố áp lực theo chiều sải cánh lại đặt vị trí tới tận gốc cánh Hình 4: Phân biệt phân bố lực/dịng chảy theo hướng chiều dây cung (chordwise) cánh chiều sải cánh (spanwise) Sự phân bố áp lực điển hình tổ hợp cánh/thân máy bay biểu diễn Hình Cách phân bố tương tự xảy bề mặt ngang dọc máy bay Hình 5: Phân bố lực nâng điển hình cho tổ hợp cánh / thân máy bay Từ đó, dễ thấy cánh, cánh đuôi thân máy bay phải chịu loại tải trực tiếp, uốn, cắt xoắn Vì vậy, chúng cần phải thiết kế để có đủ khả chịu toàn tổ hợp tải Lưu ý thao tác điều khiển gió giật khơng tạo tải khác nhau, mà dẫn đến thay đổi cường độ vị trí loại tải có Hình Ngoài tải chuyến bay, thân máy bay phải chịu thêm ứng suất điều áp; cánh phải mang vũ khí và/hoặc thùng nhiên liệu bổ sung dẫn đến tăng thêm lực khí động lực khối (lực thể tích), gộp với lực uốn, cắt xoắn có sẵn; Lực đẩy trọng lượng động ảnh hưởng đến thân máy bay cánh tùy thuộc vào vị trí tương đối chúng Tải mặt đất gặp phải trình taxi hạ cánh khiến máy bay dồn tải va đập (shock loads) tập trung xuống hệ thống đáp Phần lớn máy bay có đáp chúng nằm hai bên cánh, bánh mũi phía trước bánh phía sau Rõ ràng vị trí hệ thống đáp phải tạo tải tối thiểu cho kết cấu cánh, tương thích với ổn định máy bay trình điều khiển mặt đất Điều đạt cách đặt vị trí đáp phía trước trục uốn cánh gần gốc cánh tốt Trong trường hợp này, tải va đập hạ cánh tạo lực cắt định, uốn tối thiểu cộng với xoắn Nhưng lực giảm xuống tới mức chấp nhận được, cách bù đắp mô-men xoắn gây tải thẳng đứng chân đáp, nhờ vào mô-men xoắn theo hướng ngược lại tạo hệ thống phanh Các tải khác bao gồm: lực đẩy động lên cánh thân máy bay – có vai trị giữ thăng bằng, trường hợp hỏng động lại tạo mômen nghiêm trọng làm uốn cong thân máy bay, (được biểu diễn Hình 6); tải va đập tập trung vụ cất cánh hệ thống phóng; áp lực thủy động lên thân phao thủy phi Hình 6: Uốn Thân máy bay cánh tải động không đối xứng 1.2 Chức thành phần kết cấu máy bay Các chức kết cấu máy bay gồm có: truyền chống lại tải thực, cung cấp hình dạng khí động bảo vệ hành khách, tải có ích (trọng lượng hàng hóa, hành khách), hệ thống, v.v khỏi điều kiện môi trường gặp phải chuyến bay Các yêu cầu khiến cho thiết kế hầu hết máy bay có kết cấu vỏ mỏng, với bề mặt lớp bao vỏ hỗ trợ kết cấu làm cứng theo chiều dọc khung ngang, phép chống lại tải uốn, nén xoắn mà không bị vênh Các kết cấu gọi semimonocoque, kết cấu vỏ mỏng dựa hoàn toàn vào lớp vỏ chúng để chống lại tải gọi monocoque Đầu tiên, xem xét phần cánh: Khi thực chức năng, chúng khác độ phức tạp kết cấu, thấy cách so sánh Hình Trong Hình 8, cánh máy bay chở khách nhỏ, hạng nhẹ, De Havilland Canada Twin Otter, có kết cấu tương đối đơn giản gồm hai dầm, khung sườn, dầm dọc lớp vỏ, cánh Harrier Hình bao gồm nhiều dầm, khung sườn lớp vỏ Tuy nhiên, cho dù xếp kết cấu bên phức tạp đến đâu, thành phần thực loại chức Hình dạng tiết diện điều chỉnh cách xem xét khí động học phải trì loại tải tổng hợp; chức khung sườn Chúng hỗ trợ lớp vỏ việc chống lại tải áp lực khí động phân tán cách phân bố tải tập trung (ví dụ: tải hệ thống đáp tải bổ sung cánh) vào kết cấu phân phối lại ứng suất xung quanh điểm không liên tục, lỗ hệ thống đáp, kiểm tra, thùng nhiên liệu bề mặt cánh Khung sườn làm tăng ứng suất oằn gân dọc tăng cứng cách cản trở đầu củng cố chiều dài chúng, tương tự cách làm tăng ứng suất oằn vỏ Kích thước khung sườn phụ thuộc vào vị trí theo chiều kéo dài chúng bên cánh, tải mà chúng phải chịu Ở phần bên cánh, nơi tiết diện tương đối nhỏ cánh làm thon chịu tải nhẹ, khung sườn chủ yếu đóng vai trị khung định hình để tạo hình dạng khí động cho cánh Trong phần gần gốc cánh, khung sườn lại có nhiệm vụ hấp thụ truyền tải tập trung lớn, chẳng hạn tải từ đáp, lực đẩy động phản lực điểm điểm nối thân với cánh, chúng cần phải thiết kế vững nhiều Giữa hai thái cực (giữa phần bên cánh với phần gần gốc cánh) khung sườn chống đỡ phản lực đóng/mở lề từ cánh liệng, cánh tà sau bề mặt điều khiển khác, cộng với nhiều tải bên từ việc lắp đặt vũ khí, nhiên liệu, hệ thống khác Chức vỏ cánh tạo thành bề mặt không xuyên thấm để hỗ trợ phân bố áp lực khí động, từ tạo lực nâng cho cánh Các lực khí động truyền đến khung sườn dầm dọc lớp vỏ, thông qua hoạt động màng chắn Khả chịu lực cắt tải xoắn cung cấp ứng suất cắt tạo lớp vỏ thân dầm (spar web), tải trục tải uốn xử lí kết hợp lớp vỏ dầm phụ (stringer) Hình 7: Các thành phần cánh : khung sườn, dầm, lớp vỏ, Mặc dù lớp vỏ mỏng có hiệu chống lại lực cắt lực kéo, lại dễ bị oằn tải tương đối thấp Thay tăng độ dày vỏ dẫn đến tăng cân nặng không cần thiết, dầm dọc phụ gắn vào vỏ khung sườn, từ chia vỏ thành nhỏ làm tăng thêm ứng suất phá hủy ứng suất oằn Các dầm dọc phụ chủ yếu dựa vào gắn liền với khung sườn để ngăn chặn biến dạng xảy Trong đoạn trước, chúng em có nhiều ghi vai trò kết hợp dầm phụ vỏ việc chống lại tải dọc trục tải uốn Vai trị thân dầm việc mở rộng ứng suất cắt để chống lại lực cắt tải xoắn đề cập trước đây: chúng thực chức phụ lại ý nghĩa việc giúp ổn định lớp vỏ, mặt bích nắp đậy, dẫn đến hỗ trợ tải nén lớn từ tác động dọc trục tải uốn Nhờ đó, thân dầm có tác dụng giúp ổn định cho vỏ, giống cách dầm phụ thực Mặc dù phần lớn nhận xét tập trung hướng vào kết cấu cánh, chúng cịn áp dụng, thấy Hình 9, với tất bề mặt khí động học, cụ thể cánh, đuôi ngang dọc, ngoại trừ số trường hợp rõ ràng tải đáp, lực đẩy động cơ, v.v Thân máy bay, có hình dạng khác bề mặt khí động học, lại bao gồm phận thực chức gần tương tự phận cánh cánh đuôi Tuy nhiên, có nhiều khác biệt việc tạo loại tải khác Các lực khí động vỏ thân máy bay tương đối thấp Mặt khác, thân máy bay hỗ trợ tải lớn, tập trung phản lực từ cánh, cánh đuôi phản lực từ đáp, phải mang tải có ích với kích thước trọng lượng khác nhau, gây phần lớn lực qn tính Hơn nữa, máy bay thiết kế cho chuyến bay tầm cao phải chịu áp lực từ bên Hình dạng mặt cắt (tiết diện) thân máy bay xác định yêu cầu hoạt động Ví dụ: hình dạng mặt cắt hiệu cho loại thân máy bay điều áp hình trịn yếu tố có dạng trịn Khi khơng xét mặt hình dạng, chất, kết cấu thân máy bay ống vách mỏng bao gồm lớp vỏ, khung ngang dầm dọc phụ; khung ngang kéo dài hoàn toàn suốt thân máy bay gọi vách ngăn Ba loại thân máy bay khác biểu diễn Hình đến 11 Trong Hình 8, thân máy bay Twin Otter không điều áp, khu vực chở hành khách, người ta sử dụng hình dạng giống chữ nhật để tối ưu hóa khơng gian Thân máy bay Harrier Hình chứa động cơ, bình nhiên liệu, v.v., đó, hình dạng mặt cắt ngang nó, mức độ đó, xác định trước Trong đó, Hình 11, thân máy bay British Aerospace 146 phải chở theo hành khách nên khoang cabin điều áp, mặt cắt ngang hình trịn 1.4.1 Khớp nối chồng đơn giản Hình 15 cho thấy có chiều dày t liên kết với đường đinh tán, kiểu liên kết gọi khớp nối chồng (lap joint) cách liên kết đơn giản lắp ráp Hình 15: khớp nối đinh tán chồng đơn giản Giả sử mang tải cạnh P/một đơn vị chiều rộng (tức ), đinh tán có đường kính d, khoảng cách đinh tán b khoảng cách từ đường đinh tán đến cạnh a Có chế độ phá hủy xảy mà chúng phải xem xét sau: Rivet Shear (ứng suất cắt / lực cắt lên đinh tán) Các định tán hỏng ứng suất cắt qua đường kính chúng bề mặt Sau đó, ứng suất cắt cực đại mà đinh tán chịu , phá hủy xảy khi: Từ suy ra: Bearing Pressure (Áp lực gối tựa) Mỗi đinh tán bị phá hủy Áp lực gối tựa (bearing pressure) Gỉa thiết áp lực phá hủy xảy : Suy ra: Plate Failure in Tension (Phá hủy chịu kéo) Diện tích chịu kéo dọc theo đường gắn đinh tán bị giảm có mặt lỗ đinh tán Do đó, ứng suất kéo tới hạn , phá hủy xảy khi: Từ đó: Shear Failure in a Plate (Phá hủy chịu cắt) Lực cắt tác dụng mặt phẳng khiến cho đinh tán b ị kéo khỏi Nếu ứng suất cắt tới hạn làm bị phá hủy , d ạng phá h ủy xảy khi: Từ đó: Ví dụ 1: Một khớp nối vỏ thân máy bay thiết kế cách tán đinh lớp vỏ tiếp giáp vào hai cánh lề hình Lớp vỏ thân máy bay có độ dày 2.5 mm cánh lề có độ dày 1.2 mm, đinh tán có đường kính mm Nếu US kéo lớp vỏ thân máy bay không vượt 125 N/ US cắt đinh tán giới hạn 120 N/, xác định khoảng cách lớn giửa đinh tán để khớp nối có độ bền cắt độ bền kéo Sự phá hủy kéo xảy phần mặt cắt ngang giảm dần tấm, dọc theo đường đinh tán Diện tích tính bằng: Tải phá hủy đơn vị chiều rộng thu bằng: Diện tích mặt cắt đinh tán là: Vì đinh tán phải chịu lực cắt (i.e., two failure shear planes – chịu phá hủy cắt tấm), nên tổng diện tích mặt cắt phải chịu US cắt đinh tán là: Do đó, tải phá hủy đơn vị chiều rộng chịu US cắt tính bởi: Đối với phá hủy xảy đồng thời lực cắt kéo tấm, kết hợp (i) (ii), ta có: Thu được: khoảng cách đinh tán 13 cm 1.4.2 Hiệu suất khớp nối Hiệu khớp nối liên kết tính cách so sánh tải phá hủy thực với điều kiện khơng có lỗ đinh tán bề mặt Chẳng hạn, với khớp nối hiển thị hình 15, hiệu suất khớp nối � cho bởi: 1.4.3 Nhóm khớp đinh tán Đinh tán tập trung lại bên khớp để cho hiệu suất khớp đạt tối đa Giả dụ cho mặt nối với hình sáu đinh tán gắn bên Nếu cho đinh tán chịu đồng tải, đinh tán đơn đường aa chịu 1/6 tải thành phần Hai đinh tán đường bb sau chịu hai phần sáu tải, ba đinh tán đường cc chịu 3/6 tải Trên đường bb, vùng mặt cát giảm lỗ đinh tán đường cc giảm tận lỗ vậy, xét theo cách tương đối, khớp mặt cát chắn aa Do đó, khớp nối đạt hiệu cao đinh tán xếp theo kiểu hai cột song song, cột có ba đinh 1.4.4 Các khớp nối có tải lệch tâm Kết nối biểu diễn hình 11.14 mang tải P lệch khỏi tâm nhóm đinh tán Nhóm đinh tán sau chịu tải cắt P qua tâm mơmen/mơmen xoắn Pe quanh tâm Giả định lực cắt P phân bố đinh tán, gây lực cắt đinh tán song song với đường tác dụng P Giả định tiếp mômen Pe tạo lực cắt S đinh tán, S hoạt động theo hướng vng góc với đường nối từ đinh tán đến trọng tâm nhóm đinh tán Hơn nữa, giá trị S giả định tỷ lệ thuận với khoảng cách tính từ trọng tâm nhóm đinh tán tới đinh tán Khi đó: Nếu S=kr, với k số tất đinh tán, thì: Từ đó: Và Hợp lực đinh tán sau tổng lực tạo P Pe Ví dụ 2: Kết nối biểu diễn hình 11.15 chịu tải lệch tâm 5kN Xác định hợp lực cắt đinh tán A B Lực cắt dọc đinh tán 5/6=0.83kN Mômen (Pe) nhóm đinh tán 5*75=375kNmm Khoảng cách đinh tán A (và B, G H) từ trọng tâm C nhóm đinh tán tính cơng thức: Khoảng cách D (và F) tính từ C 20mm Do đó: Lực cắt đinh tán A B gây mômen là: Trên đinh tán A, hệ thống lực gây P Pe hiển thị hình 11.16(a), cịn đinh tán B hiển thị hình 11.16(b) Hình 16: Biểu đồ lực đinh tán Ví dụ Hợp lực sau tính cách sử dụng quy tắc cộng vectơ xác định đồ thị lực hình bình hành Thiết kế kết nối đinh tán lấy từ thiết kế thực tế phần thân sau máy bay huấn luyện động cơ/máy bay bán nhào lộn Phụ lục sách in năm 2005 1.4.5 Sử dụng chất kết dính Ngồi kết nối đinh tán, chất kết dính sử dụng chế tạo máy bay, mặc dù, nói chung, chúng dùng cho vùng có ứng suất thấp, ứng dụng chúng vấn đề nghiên cứu Trong số chất kết dính này, nhựa epoxy sử dụng thường xun chúng có ưu điểm nhựa polyester, có đặc tính kết dính tốt, độ co lại thấp trình xử lý nên giảm ứng suất dư, có tính chất học độ bền nhiệt tốt Các mô-đun độ bền tới hạn (giới hạn bền) nhựa epoxy thường 5000 100N / mm2 Nhựa epoxy dụng rộng rãi vật liệu (matrix component) vật liệu sợi tổng hợp II Tính khả phi Tính khả phi (airworthiness) máy bay liên quan tới tiêu chuẩn an tồn tất khía cạnh cấu tạo nên Phạm vị kéo dài từ độ cứng kết cấu đến chuẩn bị biện pháp an toàn cho lần hạ cánh khẩn cấp, bao gồm yêu cầu thiết kết liên quan đến khí động lực, hiệu suất vận hành, hệ thống điện thủy lực Các lựa chọn tiêu chuẩn an toàn tối thiểu mối quan tâm lớn nhà đánh giá tính khả phi “trong nội địa quốc tế ” – người soạn cẩm nang thức yêu cầu tất yếu Những cảm nang bao gồm yêu cầu vận hành, yêu cầu an toàn tối thiểu, gợi ý thực hành liệu thiết kế, v.v… Trong chương này, ta tập trung vào tính khả phi yếu tố kết cấu, mà chúng phụ thuộc chủ yếu vào độ bền độ cứng máy bay Các vấn đề độ cứng kết cấu gom lại thành chủ đề: “khí động đàn hồi” Vấn đề độ bền phát sinh, thấy, từ tải mặt đất đến tải khí động độ lớn chúng, phụ thuộc vào lựa chọn thao tác điều khiển điều kiện khác yêu cầu hoạt động máy bay cụ thể 2.1 Các tiêu tầm bay an toàn Điều chỉnh khối lượng thiết kế máy bay yêu cầu vô quan trọng Việc tăng khối lượng yêu cầu kết cấu hỗ trợ chúng phải khỏe hơn, lại dẫn đến tăng thêm lượng vấn đề khác Sự vượt khối lượng kết cấu làm giảm số lượng tải có ích, từ ảnh hưởng đến hiệu kinh tế máy bay Do đó, nhà thiết kế phải khơng ngừng tìm kiếm cách để làm cho khối lượng máy bay giảm tới mức tối thiểu mà đủ an toàn Tuy nhiên, để đảm bảo tiêu chuẩn tối thiểu chung cho độ bền độ an tồn, quy định tính khả phi đặt tiêu mà kết cấu máy bay phải thỏa mãn Những tiêu bao gồm: tải giới hạn - tải tối đa mà máy bay dự tính gặp phải hoạt động bình thường; tải kiểm chứng - sản phẩm tải giới hạn tiêu kiểm chứng; tải tới hạn - sản phẩm tải giới hạn tiêu tới hạn Kết cấu máy bay phải chịu tải kiểm chứng mà không bị biến dạng hay phá hủy đạt đến tải tới hạn Các tiêu kiểm chứng tới hạn coi tiêu độ an toàn, dùng cho tình khơng chắn khác nhau, điều thảo luận chi tiết mục 2.2 Độ bền giới hạn hiệu suất bay máy bay chọn quan chức hàng không lưu flight evelope (miền hoạt động giới hạn máy bay) đồ thị V-n hình 17 Hình 17: Đồ thị giới hạn bay (tầm bay) Đường cong OA OF tương ứng với điều kiện thất tốc máy bay lấy từ mối quan hệ khí động phổ biến: Hình 18: Bảng hệ số tải n 2.2 Xác định tiêu tải Có số vấn đề cần giải trước xác định giá trị tiêu tải khác tầm bay Ví dụ tải giới hạn tạo từ thao tác điều khiển cụ thể gió giật khốc liệt gây nên Rõ ràng, có đủ kiến thức điều kiện xảy gió giật, ta xác định miền giới hạn chúng Hơn nữa, cố định tiêu kiểm chứng tiêu tới hạn cịn phụ thuộc vào mức độ khơng chắn thiết kế, thay đổi độ bền kết cấu, suy giảm kết cấu, v.v Ta nghiên cứu vài vấn đề số để thấy ảnh hưởng chúng tới giá trị số tải 2.2.1 Tải giới hạn Một máy bay phải chịu nhiều loại tải khác suốt trình hoạt động nó, loại tải bao gồm: tải điều khiển, tải gió giật, tải đáp, tải áp suất khoang hành khách, rung lắc rung động cảm ứng Các tải điều khiển, tải đáp tải áp suất khoang hành khách xác định phương pháp đơn giản hợp lý, tải điều khiển điều chỉnh trình thiết kế, tải đáp thiết kế để tạo khả giảm tối đa tốc độ, áp suất khoang hành khách ln xác định rõ ràng Do đó, ước lượng độ lớn tải tìm liệu chuyến bay chúng có sẵn Rõ ràng, cần đến số lượng lớn bay liệu thực nghiệm bao gồm cực trị (có thể xảy ra) điều kiện khí Trong thực nghiệm, liệu yêu cầu để xây dựng chu kỳ xảy thời gian bay trước gặp phải va chạm, chẳng hạn tải gió giật điều kiện thời tiết khắc nghiệt quan tâm giá trị có sẵn Do đó, chúng trở thành vấn đề số liệu thống kê, việc ngoại suy từ liệu có sẵn tính tốn khả xảy máy bay chịu tải thực nghiệm (tải kiểm chứng) tải tới hạn suốt thời gian hoạt động Mục đích để khơng tồn tỉ lệ xuất tải tới hạn (hoặc không đáng kể) tỷ lệ xảy thấp tải kiểm chứng Khi tải tới hạn xác định, tải giới hạn cố định định nghĩa phần 2.1, giá trị số tới hạn cho phép bao gồm phần không ổn định thiết kế, thay đổi độ bền kết cấu, giảm kết cấu, ghi 2.2.2 Sự không ổn định suy giảm kết cấu Cả hai điều vấn đế nghiệm trọng việc chế tạo máy bay đại, khơng cần đến u cầu cao tiêu an toàn để giảm thiểu ảnh hưởng chúng Các phương pháp phân tích kết cấu máy bay chắt lọc, trường hợp, thử nghiệm nhằm xác định xác tải phá hủy thực toàn thành phần để kiểm tra đánh giá thiết kế Vấn đế suy giảm kết cấu ăn mòn han rỉ phần lớn bị loại bỏ cách kiểm tra kỹ trình bảo dưỡng áp dụng biện pháp bảo vệ thích hợp 2.2.3 Sự thay đổi độ bền kết cấu Để giảm thiểu ảnh hưởng thay đổi độ bền kết cấu thành phần có hình dạng bên ngồi giống hệt nhau, khâu gia công vật liệu chế tạo kết cấu quản lí chặt chẽ Việc quản lí vật liệu bao gồm tuân thủ nghiêm ngặt giới hạn thành phần hóa học, giám sát chặt chẽ phương pháp chế tạo gia công, nhiệt luyện, cán dát, v.v… Thêm vào đó, ta cịn kiểm tra mắt thường, chụp ảnh phóng xạ cách khác, chẳng hạn thực thí nghiệm kiểm tra độ bền mẫu để lập loại bỏ nhóm mức giới hạn cho phép Từ đó, mẫu nhóm vật liệu có độ bền tối thiểu mức quy định, nhóm bị loại bỏ Có nghĩa kết cấu thực tế thường bao gồm vật liệu có tính chất cao giá trị giả thiết đặt cho mục đích thiết kế; bổ sung nhỏ không cho phép làm tăng thêm cịn phải xét đến tiêu an tồn Biện pháp phòng ngừa tương tự áp dụng vào kết cấu lắp ráp liên quan đến dung sai kích thước, chất lượng lắp ráp, hàn, v.v… Một lần nữa, kiểm tra trực quan phương pháp kiểm tra khác sử dụng, số trường hợp định, kiểm tra độ bền thực kết cấu mẫu 2.2.4 Mỏi Mặc dù biện pháp phòng ngừa thực để đảm bảo kết cấu máy bay có đủ độ bền để chống lại gió giật khốc liệt tải vận hành, vấn đề phá hủy mỏi tồn Thực tế tất thành phần kết cấu máy bay phải chịu tải giao động xuất nhiều lần suốt trình hoạt động Từ lâu, người ta biết vật liệu bị hỏng tác động tải dao động) giá trị thấp nhiều ứng suất, so với ứng suât phá hủy tĩnh tiêu chuẩn Đồ thị ứng suất phá hủy số lần lặp có dạng đặc trưng mơ hình Hình 19 Hình 19: Đồ thị ứng suất phá hủy số lần lặp có dạng đặc trưng Đối với vài vật liệu, thép mềm đường cong (thường hiểu đường cong đồ thị) tiệm cận tiến đến giá trị tối thiểu định, có nghĩa vật liệu thực tồn ứng suất vô hạn Đường cong vật liệu khác nhôm hợp kim nhôm lúc xuất giá trị tiệm cận, vật liệu khơng tồn ứng suất vơ hạn Ta bàn luận ý nghĩa điều phần sau Cho đến năm 1940, người ta cịn quan tâm đến phá hủy mỏi thiết kế kết cấu máy may Họ cho việc đủ độ bền tĩnh loại bỏ khả phá hủy mỏi Tuy nhiên, chứng tích lũy lại cho thầy số tai nạn máy xảy phá hủy mỏi Mức độ nghiêm trọng trường hợp nhấn mạnh vào đầu năm 1950, phá hủy mỏi nghiêm trọng xảy hai máy bay dân dụng hãng hàng không Comet Nguyên nhân gây chu kỳ điều áp “mỗi chuyến bay lần” (once-per-flight) tạo thành ứng suất truyền theo chu vi chiều dọc lớp vỏ thân máy bay Mặc dù ứng suất nằm khoảng ứng suất cho phép chu kỳ tải, tập trung ứng suất xảy góc cửa sổ xung quanh đinh tán làm tăng đáng kể ứng suất cục bộ, vượt mức ứng suất thông thường Các chu kỳ lặp điều áp tạo vết nứt mỏi lan rộng nhanh chóng, gây nên tượng nổ thân máy bay độ cao lớn Một vài yếu tố góp phần làm bật phá hủy mỏi lên thành yếu tố thiết kế Ví dụ, tốc độ kích thước máy bay tăng lên, kích thước cánh độ lớn tải khác phải tăng theo Từ đó, ảnh hưởng chuyển động nhiễu loạn (do dịng khí) khuếch đại lên độ lớn tải dao động trở nên lớn Trong ngành hàng không dân dụng, máy bay sử dụng nhiều có tuổi thọ hoạt động cao Hợp kim nhôm “zinc-rich”, sử dụng nhờ tính chất độ bền tĩnh cao, lại khơng cho thấy cải tiến tương ứng độ bền mỏi, có tốc độ lan truyền vết nứt cao nhạy cảm với sứt mẻ Trên thực tế, nguyên nhân gây phá hủy mỏi rõ ràng, để loại trừ chúng đe dọa tới an tồn bay lại vấn đề khác Các vấn đề phá hủy mỏi có hai khía cạnh chính: dự đốn độ bền mỏi kết cấu am hiểu tải gây mỏi Đến nay, thông tin hai khía cạnh bị thiếu Do đó, Royal Aircraft Establishment (RAE ) ngành công nghiệp hàng khơng bắt đầu chương trình kiểm tra rộng rãi để xác định ứng xử toàn thành phần, khớp nối, chi tiết khác chịu tải dao động Chương trình bao gồm thử nghiệm độ mỏi, thực RAE với vài đuôi máy bay “50 Meteor 4” phạm vi nhiệt độ, với nghiên cứu RAE ứng suất mỏi khớp mối nối Các nghiên cứu sâu tiếp tục thực số trường đại học ngành công nghiệp hàng không ảnh hưởng tập trung ứng suất Kết hợp với thí nghiệm độ bền phá hủy mỏi, RAE bắt đầu khởi xướng nghiên cứu để phát triển thiết bị thích hợp cho việc đếm ghi lại tải gió giật thời gian dài Một thiết bị phát triển J.Taylor vào năm 1950; thiết kế cho tín hiệu phản hồi giảm nhanh chóng 10Hz Vượt qua ngưỡng g từ 0.2 đến 1.8g, quãng 0.1g ghi lại (chú ý mức ổn định bay thường 1g ) thử nghiệm bay RAE máy bay khác sau 28000km, phương pháp kĩ thuật tiên tiến đưa vào để rút thông tin từ liệu thu Các hãng hàng không dân dụng hợp tác việc mang thiết bị dịch vụ hàng không thường xuyên họ vài năm Tám loại máy bay khác trang bị nó, số liệu thu lại năm 1961 vùng Châu Âu, Đại Tây Dương, Châu Phi, Ấn Độ, Viễn Đông, đại diện cho 19000 triệu km bay Chuyển động hỗn loạn khơng khí chu kỳ điều áp khoang hành khách hai số tải dao động gây phá hủy mỏi máy bay Trên mặt đất cánh hỗ trợ hệ thống đáp ứng suất kéo thực nghiệm bề mặt cánh ứng suất nén bề mặt cánh Trong trình bay, ứng suất đảo ngược lại lực nâng khí động hỗ trợ cho cánh Ngoài ra, tác động thao tác hạ cánh vận hành mặt đất lên bề mặt khơng hồn hảo gây ứng suất dao động, đó, q trình hạ cánh cất cánh, cánh tà hạ xuống nâng lên tạo thêm chu kỳ tải bổ sung kết cấu hỗ trợ cánh tà Giá treo động phải chịu tải mỏi từ thay đổi lực đẩy trình cất hạ cánh, từ tải qn tính tạo gió giật máy bay hoàn chỉnh Tài liệu tham khảo T.H.G Megson – An introduction to aircraft structure analysis Martin Hopgood – Joint Efficiency Pham Vinh – Từ điển hàng không Subaru Corp - Method of fabricating aircraft fuselage structure Ryan Vaughan – Fuselage part construction .. .Báo Cáo Môn Tải Trọng Và Độ Bền Kết Cấu Vật Bay MỤC LỤC Danh mục hình ảnh I Các thành phần kết cấu máy bay Máy bay thường cấu tạo từ thành phần bao gồm cánh, thân, phận... chức cách an toàn Trong chương này, chúng em tập trung mô tả tải khác mà thành phần kết cấu máy bay phải chịu, chức năng, cách thức chế tạo, thi? ??t kế giúp kết nối thành phần lại với 1.1 Các loại... thủy động lên thân phao thủy phi Hình 6: Uốn Thân máy bay cánh tải động không đối xứng 1.2 Chức thành phần kết cấu máy bay Các chức kết cấu máy bay gồm có: truyền chống lại tải thực, cung cấp