Cánh máy bay có vai trò tạo lực nâng, lực cản và tạo sự ổn định cho máy bay. Sau khi tiến hành tính sơ bộ và giảm khối lượng cho kết cấu, ta tiến hành mô phỏng cho kết cấu dưới tải khí động. Qua phương pháp mô phỏng bằng phần tử hữu hạn ta có thể tính toán chính xác và cụ thể hơn tải trọng, biến dạng, ứng suất, chuyển vị cũng như hệ số an toàn cho kết cấu.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ──────── * ─────── BÁO CÁO TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU VẬT BAY Sinh viên thực : Nguyễn Đức Chí Thành Nguyễn Quang Huy Hoàng Trọng Nghĩa Nguyễn Thành Trung Lớp KTHK – K60 Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Đình Quy HÀ NỘI, 06-2019 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH I Tổng quan về kết cấu cánh Giới thiệu I.1 Vai trò Cánh máy bay có vai trị tạo lực nâng, lực cản tạo ổn định cho máy bay I.2 Các biên dạng cánh Ảnh các kiểu biên dạng cánh I.3 Các kiểu đặt cánh Cánh đặt thân; ngang thân; thân; cánh treo Ảnh Các kiểu đăt cánh I.4 Định dạng phối trí cánh Ảnh Phối trí cánh I.5 Tỷ số dạng Ảnh Tỷ sớ dạng I.6 Góc đặt cánh Ảnh Goc đăt cánh Vật liệu Thiết kế máy bay phải đáp ứng yêu cầu cụ thể ảnh hưởng đến phức tạp cấu trúc vật liệu sử dụng trình chế tạo Một loạt vật liệu sử dụng thiết kế máy bay để sử dụng đặc tính độ bền, độ đàn hồi, trọng lượng riêng khả chống ăn mòn 2.1 Sử dụng gỗ thiết kế máy bay Gỗ vật liệu có tính chất lý đáp ứng tiêu chí cần thiết để sản xuất phận máy bay Vật liệu có tỷ lệ cường độ trọng lượng cao sử dụng cấu trúc gỗ có khả chống lại điều kiện môi trường bất lợi lần xử lý bảo quản cụ thể 2.2 Kim loại Các kim loại sử dụng ngành sản xuất máy bay bao gồm thép, nhôm, titan hợp kim chúng Hợp kim nhôm đặc trưng nhẹ so với hợp kim thép có đặc tính chống ăn mịn tốt Tuy nhiên, hợp kim thép có độ bền kéo lớn hơn, mơ đun đàn hồi cao Kết là, thép sử dụng phận chịu lực lớn máy bay, chẳng hạn thiết kế đáp Titanium sử dụng thiết kế cấu trúc máy bay kim loại nhẹ, cứng chống ăn mòn Vật liệu sử dụng sản xuất số thành phần động cơ, với hợp kim chịu nhiệt thiết kế đặc biệt, siêu hợp kim gốc Niken Vật liệu Composite Vật liệu composite sử dụng ngành công nghiệp máy bay 2.3 độ bền, trọng lượng tương đối thấp khả chống ăn mòn Hợp kim thép nhơm sử dụng sản xuất khung sườn, vật liệu composite sử dụng thiết kế bề mặt cánh bề mặt điều khiển Kết cấu cánh 3.1 Kết cấu chung Cánh nối với thân qua nhiều phương pháp: kết nối trực tiếp với thân hay dùng chống bên ngoài, chống thường làm từ thép, nhiên điều làm tăng khối lượng máy bay gây nhiều lực cản Ảnh Các cách kết nối cánh với thân Kết cấu bên cánh máy bay thiết kề với kết cấu dầm, xà ngang, khung sườn, để giảm khối lượng tận dụng thể tích bên để chứa nhiện liệu, lắp đặt hệ thống điện, thủy lực để điều khiển, Bề mặt bên cánh phải làm nhẵn chịu ảnh hưởng trực tiếp từ dịng khí động Kết cấu trải dài từ mép vào đến mép cánh Nhìn chung, kết cấu - cánh dựa thiết kế bản: Monospar Multispar Box beam Trên máy bay dân dụng, loại box beam dùng phổ biến có kết cấu vững chắc, kết hợp ưu điểm loại trên, chịu lực theo phương dọc ngang Với kết cấu này, bề mặt máy bay chịu tải trọng lực khí động gây tốt lực trải khung kết cấu cánh Ảnh Kết cấu kiểu box beam 3.2 Thanh xà Các xà kết cấu thân cánh, xà dọc đặt song song vng góc với cánh Chúng làm từ thép, gỗ, vật liệu composite tùy thuộc vào tiêu chí chế tạo Tuy nhiên chúng có kết cấu điển đặc, hộp, rỗng phần hay hình chữ I Ảnh Hình dạng xà gô Trong máy bay thương mại gần lớn dòng máy bay, dầm chữ I sử dụng chủ yếu kết cấu nhẹ bền Ảnh Hình dạng xà băng các loại vât liêu khác Khung sườn cánh Khung sườn kết cấu cánh, trải dài từ đầu cánh đến gần hết 3.3 cánh Kết cấu tạo hình cho biên dạng cánh nên cần có kích thước xác Ảnh 10 Kết cấu khung sườn cánh Tuy nhiên dạng kết cấu khung yếu chịu lực phương ngang nên người ta cần tăng cường cho khung chống Ảnh 11 Thanh chống kết cấu khung sườn Vỏ cánh Vỏ cánh phần tiếp xúc trực tiếp với dịng khí bên ngồi nên cần làm 3.4 nhẵn, vỏ cánh gắn vào kết cấu cánh đinh vít Các chỗ kết nối thêm chất dính đặc biệt để nhiên liệu khơng bị tràn ngồi Ảnh 12 Vỏ cánh Vỏ cánh làm hợp kim nhôm nhiên với xu phát triển vỏ cánh máy bay làm từ vật liệu composite vật liệu nhẹ, bền bị ảnh hưởng môi trường 3.5 Kết cấu tổ ong Cấu trúc tổ ong có độ bền tốt, chịu ứng suất lớn nhẹ Vì cậy kết cấu tổ ong dùng điều khiển bánh lái hướng, spoiler, phanh khí động cánh Ảnh 13 Kết cấu tổ ong Tải trọng tác dụng lên máy bay Mỗi loại cánh chịu tải trọng định luồng khí vật gắn cánh, tạo lực nâng Trong khí động học , tải trọng cánh tổng trọng lượng máy bay chia cho diện tích cánh Ảnh 14 Thông số cánh cua môt số loại máy bay Ta thấy máy bay bay nhanh tạo lực nâng nhiều cho đơn vị diện tích cánh, Cánh lớn di chuyển nhiều khơng khí hơn, đó, máy bay có diện tích cánh lớn so với khối lượng (tức tải cánh thấp) có tốc độ thấp Lực nâng L cánh khu vực A : Với mật độ khơng khí, hệ số lực nâng Hệ số lực nâng hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào mặt cắt ngang cánh góc Khi bay ổn định lực nâng trọng lượng cân với với L/A= Mg/A= với M khối lượng máy bay, =M/A tải trọng cánh (tính theo đơn vị khối lượng / diện tích, tức lb / ft kg / m , lực / diện tích) ggia tốc trọng lực, phương trình cho tốc độ v qua: Do đó, máy bay có C L cất cánh điều kiện khí có tốc độ cất cánh tỷ lệ thuận với Vì vậy, diện tích cánh máy bay tăng 10% khơng có thay đổi, tốc độ cất cánh giảm khoảng 5% Tương tự vậy, máy bay thiết kế cất cánh với tốc độ 150 dặm / tăng trọng lượng trình phát triển thêm 40% Chim yến mặt đất chim nước phải chạy chèo với tốc độ cất cánh trước chúng cất cánh Điều tương tự với phi cơng lái tàu lượn, họ nhận hỗ trợ từ việc chạy xuống dốc Đối với tất điều này, W S thấp quan trọng, người qua đường chim trú ngụ vách đá bay khơng khí với tải trọng cánh cao II Tính toán tải trọng tác động lên cánh Cánh có kết cấu xà dọc và cánh có kết cấu hộp dầm Từ chương 15 đến chương 17, đã xây dựng lý thuyết cho việc phân tích dầm thành mỏng có tiết diện đóng mở chịu tải trọng uốn, cắt xoắn Ngoài ra, chương 19, đã thấy phần dầm cứng phức tạp 10 Booms: gia cường đại diện hình trịn gọi nút(booms), nút có khối lượng tập trung bề mặt vỏ Skin panels: kết cấu khung vỏ Trước tiên, ta xét trường hợp chung cánh có N-cell bao gồm boom skin panels, phần sau( skin panels) có khả chống lại lực cắt trực tiếp ứng suất cắt, Cánh chịu lực cắt Sx Sy, có phương khơng thiết phải qua tâm cắt S( hình 22.8), ứng suất cắt chịu tác động đồng thời cắt xoắn Cách thức để xác định phân phối cắt tỷ lệ xoắn dựa phân tích xà chịu tải cắt( phần 16.3 19.3) Mỗi xà không xác định tĩnh, cách thức xác định cắt điểm đã định vị tùy ý Do phần cánh hình 22.8 N-cell cắt đoạn hình Mặc dù vị trí cắt lý thuyết khơng quan trọng, nhiên có lợi điểm cắt cắt gần trung tâm cạnh đáy kết cấu khung vỏ( skin panel) ô Nói chung điểm lực cắt dự phịng( redundant) (qs,0) nhỏ lực cắt chỉ khác chút so với cấu trúc xác định Hệ thống phương trình đồng thời để tìm lực cắt sau điều chỉnh cho kết đáng tin cậy Giải pháp cho hệ phương trình có điều kiện việc khử số lượng lớn kích thước giống cần phải biểu thị số lượng lớn pháp đo để có kết đáng tin cậy.Mặc dù lý khơng áp dụng hồn tồn cho cánh lý tưởng hóa giá trị tính tốn cắt không ảnh hưởng booms, lần cho thấy lợi việc cắt vị trí đáy kết cấu khung vỏ, trường hợp đặc biệt cánh có trục đối xứng nằm ngang đường cắt hình chữ nhật, vị trí cắt hình, cắt dẫn đến kết cấu mở lực cắt (qb) nên Điều làm giảm cơng đoạn tính tốn đạo hàm, để hiểu rõ ta có ví dụ 22.4: Phần kết cấu mở dịng cắt qb phần cánh hình 22.8 biểu thị bới công thức: 28 Chúng ta chỉ cịn lại giá trị cắt khơng xác định lần cắt, như, qs,0,I,qs,0,II,…,qs,0,N cộng với tỷ lệ xoắn chưa biết dθ/dz, từ giả định mặt cắt không bị biến đổi, giống ô, trường hợp xoắn N+1 u cầu phương trình N+1 tính tốn Xét thứ R hình 22.9, phân phối lực cắt xuang quanh ô lấy cách tính tổng phần cắt mở shear flow qb giá trị vị trí cắt qs,0,R Do ta coi qs, ), R lực cắt không đổi xung quanh ô Tỷ lệ xoắn tính theo phương phương tình 16.22: Bằng cách so sánh với trường hợp xoắn túy ta đưa suy luận 29 Trong qb đã xác định trước đó, Các phương trình N thuộc loại pt 22.10 yêu cầu để giải phương trình ứng với N+1 Điều có cách xét ô thứ R trạng thái cân hình 22.10 Moment tính tổng dịng cắt với tâm moment O là: Thay cho ,phần mở vị trí cắt , có Tổng moment riếng le tương đương với tải quy điểm, với cánh hình 22.8 ta có: Nếu tâm chọn trùng với tâm giao Sx Sy công thức 22.11 trở thành: Ví dụ 22.3 Cánh giống ví dụ 22.1 ( hình 22.3) mang tải cắt 86.8KN tường 572 phần đã lý tưởng hóa để booms chống ứng suất trưc tiếp tất tường chỉ chịu lực cắt, modun cắt tất tường 27600 N/mm2, 30 ngoại trừ tường 78 có giá trị gấp lần giá trị Hãy tính shear flow tỷ số xoắn liệu đc bổ sung bảng: Chọn 27600 N/mm2 sau từ biểu thức 22.9 Bây ta cắt phía cell tính tốn phần mở, sử dụng cơng thức 19.6, Do lý tưởng hóa đối xứng đơn le, chỉ chịu tải trọng cắt, nên công thức giảm xuống đó, từ ví dụ 22.1, Ixx = 809 × 106mm4 Do đó, từ phương trình (i) Vì qb = lần cắt, nên sau qb = cho kết cấu khung vỏ 12, 23, 34 lần cắt lại qb tính từ phương trình (ii) lưu ý thứ tự số hướng chỉ từ boom sang boom, 31 Do phân bố thể trog hình 22.11 giá trị thay biểu thức 22.10 cho ô Cho ô I Các thuật ngữ số phương trình từ iii đến v đại diện cho cho cell Cần chắn giá trị phải xác định xác Chiều dường chiều ngược kim đồng hồ, Do đó, mang giá trị dương mang giá trị âm … 32 Phương trình thứ cần thiết để giải suy từ biểu thức 22.12 cách lấy giao điểm trục x với 572, đó: Kết hợp giải phương trình từ (iii) đến (vi) nhận được: Áp dụng cách với tất phân bố của hình 22.11 ta giả trị khác là: 2.5 Tâm cắt Vị trí tâm cắt tiết diện cánh xác định giống phương pháp phần 16.3 Tải trọng cắt tùy ý Sx Sy áp dụng qua tâm cắt S, phân phối dòng cắt tương ứng xác định momen lấy điểm thích hợp Sự phân phối dịng cắt thu mơ tả trước tiết diện cắt cánh đa hướng, ngoại trừ phương trình N (22.10) hồn tồn chỉ giải pháp, tốc độ xoắn dθ/dz tải cắt áp dụng cắt qua tâm cắt 2.6 Cánh thuôn nhọn Cánh thường thon theo hai chiều sải cánh theo hướng dây cung Các tác động ảnh hưởng tới phân tích độ thon hệ dầm đơn đã thảo luận phần 20.2 Trong phần cánh đa bào, ảnh hưởng xử lí giống ngoại trừ phương trình moomen (20.16) thiết lập tiết diện cánh có N tế bào (xem ảnh 20.5 22.8) 33 Ví dụ 22.4 Một dầm hai tế bào có tiết diện đối xứng đơn le cách 1,2m đối xứng theo hướng y trục dọc (Hình 22.12) Dầm chịu tải trọng tạo lực cắt Sy= 10kN moomen uốn Mx = 1,65kNm tiết diện ngang lớn hơn; tải cắt áp dụng mặt phẳng gân xà bên Nếu nằm mặt phẳng song song với mặt phẳng yz, hãy tính lực phân phối dòng cắt tường tiết diện ngang lớn Các giả định để chống lại tất ứng suất trực tiếp, tường chỉ có tác dụng với lực cắt Mô đun cắt không thay đổi, tường dọc dày 1.0mm, tường lại dày 0.8mm: Diện tích: B1 = B3 = B4 = B6 = 600 B2 = B5 = 900 Tại tiết diện ngang lớn hơn, Ứng suất trực tiếp đưa phương trình (15.18), Ixy=0 My=0, nghĩa 34 Từ Hay (i) Giá trị tính từ biểu thức (i) cột ② bảng 22.2; xác định từ phương trình (20.10) (20.9), tương ứng cột ⑤ ⑥ Tải trọng hướng trục xác định cho cột ⑦ có dấu với (xem phương trình (20.12)) Các mơ men với cột ⑩ 11 tính cho tâm mơ men trung điểm gân xà bên trong, lấy dương với mô men ngược chiều kim đồng hồ Từ cột ⑤ (như mong muốn từ tính đối xứng) Từ cột ⑥ Từ cột ⑩ Từ cột 11 Từ phương trình (20.15), Ngồi ra, Cx trục đối xứng, Ixy = phương trình (19.6) cho tiết diện mở, dòng lực cắt giảm xuống 35 Hay (II) Tách tường ô sử dụng phương trình (II), thu phân phối hình 22.13 Đánh giá δ cho tường vào phương trình (22.10) thu được: Đối với ô I, (iii) Đối với ô II, (iv) Lấy mô men trung điểm dầm 25, sử dụng phương trình (22.13), ta có, Hay (v) Giải phương trình (iii) đến (iv), cho kết 36 Kết phân phối dòng lực cắt biểu diễn hình 22.14 2.7 Đợ lệch Uốn cánh đa bào tính tốn phương pháp tải đơn vị đã nêu phần 19.4 cho dầm đơn có cấu trúc mở Ví dụ 22.5 Tính tốn độ lệch đầu tự dầm ô hình 22.15, cho phép uốn cắt Các mang tất ứng suất trực tiếp, vỏ, có độ dày khơng đổi, chỉ chịu ứng suất cắt Lấy Diện tích thanh: Tiết diện ngang hệ dầm đối xứng so với trục ngang chịu tải dọc đầu tự thông qua tâm cắt Độ lệch đầu tự xác định từ phương trình (19.17) (19.19), (i) Trong Và Thật vậy, 37 Phân phối lực cắt thu phần mô tả trước ( lưu ý tải cắt qua tâm cắt) nên ta thu tất tiết diện dầm Dòng lực cắt trường hợp tính Vì vậy, Do đó, từ phương trình (i), Ta III Quy trình thiết kế cánh Bài toán thiết kế cho cánh máy bay với thông số cho trước tải trọng, vận tốc máy bay, độ cao số thông số khác Thiết kế hình học 1.1 Lựa chọn airfoil Với thông số đầu vào yêu cầu thiết kế (khối lượng, vận tốc, độ cao bay) ta tính hệ số lực nâng lực cản lớn nhất, số Reynolds từ chọn profile cho cánh 1.2 Lựa chọn thơng số hình học cánh Ta tiến hành tính tốn, lựa chọn thơng số hình học cho cánh: sải cánh, diện tích cánh, dây cung mũi gốc cánh, tâm khí động, góc vểnh, Tính toán tải khí đợng 2.1 Tải khí đợng Tải lực khí động gây ra, lực khí động tính theo cơng thức: 38 Ảnh 15 Tai khí đơng cánh Từ ta tìm phân bố tải khí động lên cánh Ảnh 16 Phân bớ tai khí đơng Ngồi ta cần phải tính Mơ men chúc ngóc: 2.2 Trọng lượng và các hệ số tải Trọng lượng máy bay bay yếu tố quan trọng thiết kế Trọng lượng tính đưa vào để tính tốn kết cấu cho cánh Ngoài ra, hệ số tải trọng yếu tố quan trọng cần cân nhắc Khi máy bay bay có hệ số tải trọng khác bay tăng tốc hạ cánh Từ ảnh hưởng đến tải trọng lớn tác dụng lên kết cấu Thiết kế kết cấu 3.1 Chọn vật liệu Vật liệu cho cánh máy bay phổ biến nay: vỏ làm từ composite, kết cấu bên hợp kim nhôm kim loại trộn lẫn Cacbon Các loại vật liệu có tính chất nhẹ có độ bền cao Mỗi loại vật liệu có thơng số vật liệu khác 39 3.2 Thiết kế sơ bộ Lựa chọn thiết kế sơ xà ngang, xà dọc, dầm cánh - Với xà ngang: Vị trí xà ngang kết cấu nên đặt nơi mà mơ men xoắn nhỏ nhất, từ làm giảm ảnh hưởng mô men xoắn lên kết cấu Vị trí thiết kế xà thường khoảng 0.3-0.35c (nơi có profile dày nhất) - Với Ribs: Ngồi việc truyền áp suất, ribs cịn chịu lực cắt Ribs làm tăng độ cứng cho kết cấu cánh máy bay làm tăng ứng suất oằn cho kết cấu Độ cứng cánh tăng tức chịu áp suất lớn độ cứng tải trọng uốn tăng lên Ảnh 17 Kết cấu cánh Ta chọn kết cấu sơ đơn giản để dễ cho việc tính tốn sơ cho kết cấu Dùng phương pháp lý tưởng hóa kết cấu để tính sơ dịng lực cắt, ứng suất mà kết cấu phải chịu, kiểm tra với độ bền vật liệu Nếu thông số thỏa mãn độ bền vật liệu ta tiến hành bước Nếu không phải chọn lại kết cấu 3.3 Tối ưu hóa kết cấu Tính tốn lại cách bố trí xà ngang, ribs, tối ưu hóa cho kết cấu giảm khối lượng đảm bảo độ bền Một số cách thường dùng khoét lỗ cho rib, vét mép nơi chịu ứng suất cao 40 Ảnh 18 Các chi tiết kết cấu cánh Ảnh 19 Kết cấu được tối ưu 3.4 Chạy mô để kiểm tra kết cấu Sau tiến hành tính sơ giảm khối lượng cho kết cấu, ta tiến hành mô cho kết cấu tải khí động Qua phương pháp mơ phần tử hữu hạn ta tính tốn xác cụ thể tải trọng, biến dạng, ứng suất, chuyển vị hệ số an toàn cho kết cấu TÀI LIỆU THAM KHẢO Nhập môn kỹ thuât hàng không TS Vũ Lê Huy Aviation Maintenance Technical Handbook- Airframe, Volumn https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12117 41 Megson, T.H.G., Aircraft Structures for Engineering Students, 4th edition, Elsevier, 2007 https://history.nasa.gov/SP-367/chapt5.htm#f96 https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.5019124 42 ... tải Trọng lượng máy bay bay yếu tố quan trọng thiết kế Trọng lượng tính đưa vào để tính tốn kết cấu cho cánh Ngồi ra, hệ số tải trọng yếu tố quan trọng cần cân nhắc Khi máy bay bay có hệ số tải. .. ngắn kết cấu xà chịu lực cắt theo trục z Sx Sy dương theo hướng hình xét Lưu ý kết cấu xà mở, tải trọng cắt áp dụng thơng qua tâm cắt để không xảy tượng xoắn kết cấu Ngồi tải trọng cắt kết cấu. .. dịng khí động Kết cấu trải dài từ mép vào đến mép cánh Nhìn chung, kết cấu - cánh dựa thiết kế bản: Monospar Multispar Box beam Trên máy bay dân dụng, loại box beam dùng phổ biến có kết cấu vững