Cánh chính là bộ phận quan trọng của máy bay, là bộ phận chủ đạo tạo ra lực nâng cho máy bay, nếu không muốn nói là toàn bộ. Đối với các mẫu UAV sử dụng năng lượng mặt trời thì khu vực này còn là vị trí lắp đặt các cell pin mặt trời để sinh ra điện năng cung cấp cho toàn hệ thống. Vì vậy thiết kế cánh là một công đoạn rất quan trọng, với nguyên tắc là nhẹ nhất có thể nhưng vẫn đảm bảo đủ bền, đủ khả năng chống uốn và chống xoắn trong quá trình vận hành bay và bảo vệ tối đa cho các trang thiết bị bên trong cánh. Khung xương là kết cấu quan trọng của cánh, giúp định hình hình dạng của cánh. Các profile cung cấp hình dạng khí động cho cánh để có thể tạo ra lực nâng. Các profile sẽ được liên kết với nhau thông qua các thanh ngang spar và các ống dầm, tạo thành bộ khung xương của cánh, đóng vai trò cơ bản trong chịu lực. Các thanh spar cũng đều sử dụng vật liệu carbon nhằm đảm bảo nhẹ nhưng vẫn đủ độ bền.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀNG KHƠNG Chủ đề: Thiết kế, tính tốn, mơ kết cấu cánh máy bay UAV Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm Họ tên MSSV Phùng Đức Minh 20152493 Phạm Tuấn An 20150014 Nguyễn Thị Thiên Trang 20153886 Lê Phạm Hùng Anh 20150066 Hà Nội, 6/2019 Mục Lục Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Yêu cầu thiết kế thông số Thiết kế kết cấu cánh máy bay không người lái (UAV) với thông số hình vẽ Hình Thơng số cánh Thơng số Sải cánh b Dây cung gốc cánh cr Dây cung mũi cánh ct Tỉ số dạn AR Tỉ số thon – Taper ratio λ Góc đặt cánh Vận tốc hành trình Khối lượng cất cánh tối đa Giá trị 6m 0,4 m 0,15m 17 0,375 độ 25 m/s 12 kg Cánh sử dụng profil Eppler 212 có độ dày tối đa 10,6% 27,5% dây cung Độ vòng tối đa đường trung bình 2,5% 61,3% dây cung Hình Profile Eppler 212 Profil Eppler có biểu đồ hệ số lực nâng, hệ số lực cản theo góc đặt cánh hệ số khí động đồ thị Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình Hệ số lực nâng lực cản theo góc đặt cánh Hình Hệ số chất lượng khí động theo góc đặt cánh Nghiên cứu lý thuyết 2.1 Tính tốn thơng số khí động cánh Với góc đặt cánh độ, tra đồ thị có hệ số lực nâng 0,9 Sử dụng công thức lực nâng Vậy cánh theo lý thuyết tạo 36 kg lực nâng Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Tâm khí động thường khoảng 25% dây cung, để xà vị trí 0,1 m từ mép vào 2.2 Kết cấu cánh Cánh máy bay thiết kế để nâng lên khơng trung Thiết kế đặc biệt cho máy bay phụ thuộc vào yếu tố, chẳng hạn kích thước, trọng lượng, mục đích máy bay, tốc độ mong muốn bay hạ cánh Cánh máy bay định trái phải, tương ứng với bên trái bên phải người ngồi buồng lái Cánh thường có thiết kế đúc đầy đủ Điều có nghĩa chúng xây dựng cho khơng cần giằng ngồi Chúng hỗ trợ bên thành phần cấu trúc vỏ máy bay Một số loại cánh máy bay khác sử dụng chống bên dây để hỗ trợ cánh mang tải trọng khí động học tải trọng hạ cánh Cáp hỗ trợ cánh chống thường làm từ thép Nhiều chống khớp nối đính kèm chúng có fairings để giảm lực cản Một cách ngắn gọn, gần với hỗ trợ dọc gọi chống, tìm thấy chống gắn vào cánh khoảng cách xa từ thân máy bay Điều phục vụ để triệt tiêu chuyển động chống dao động gây khơng khí xung quanh chống cho thấy mẫu cánh sử dụng giằng ngồi, cịn gọi cánh bán công xôn Cánh công xôn xây dựng bên ngồi giằng hiển thị Vật liệu để xây dựng cánh máy bay nhơm, đơi phủ gỗ vải để giảm khối lượng, dùng hợp kim magiê Máy bay đại ngày có xu hướng giảm khối lượng đôi với yêu cầu cứng vững nên vật liệu thay composite sợi carbon Các cấu trúc bên cánh hầu hết tạo từ xà dọc chạy dọc sườn Các xà thành phần chủ chốt cánh, chịu lực tập trung lực phân tán biên dạng, đáp động Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Vỏ cánh gắn bên kết cấu, chịu phần lớn tải trọng trình bay Nó truyền tải đến khung sườn Khung sườn, truyền tải đến xà Nhìn chung, kết cấu cánh xây dựng dựa thiết kế bản: Xà đơn (Monospar) Đa xa (Multispar) Dầm hộp (Box Beam) Các biến thể thiết kế nhà sản xuất sử dụng rộng rãi Kết cấu cánh đơn dâm (monospar) sử dụng xà dọc chạy dọc theo hướng sải cánh Các khung sườn cánh vách ngăn tạo biên dạng cho cánh Kết cấu cánh đơn dâm không sử dụng phổ biến Thiết kế cải tiến cách bổ sung xà dọc nhỏ gân tăng cứng nhẹ dọc theo mép cánh để hỗ trợ bề mặt điều khiển Kết cấu cánh nhiều dọc (multispar) sử dụng nhiều xà dọc, kết cấu thường gặp bao gồm xà dọc phía trước (front spar) xà dọc phía sau (rear spar) Biến dạng cánh tạo khung sườn cánh vách ngăn Dạng kết cấu cánh dầm hộp (box beam) sử dụng hai thành phần kết cấu dọc liên kết vách ngăn với để tăng độ bền cho kết cấu tạo biên dạng cho cánh Giữa vách ngăn lớp vỏ bên ngồi cánh bố trí kim loại lượn sóng để cánh chịu tốt tải trọng kéo nén Trong số trường hợp, gân tăng cứng (stiffener) | lớn chạy dọc sử dụng để thay cho kim loại lượn sóng Đơi khi, lượn sóng gân tăng cứng sử dụng đồng thời, lượn sóng sử dụng mặt Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV cánh gân tăng cứng sử dụng mặt cánh Kết cấu cánh dầm hộp thường sử dụng cho dạng máy bay vận tải hàng khơng Hình Kết cấu cánh 2.2.1 Thanh xà dọc cánh Xà dọc cấu trúc cánh, giống xà dọc thân máy bay Chúng có phương ngang so với thân máy bay, nối từ gốc cánh tới đầu mút cánh Xà dọc làm hợp kim, gỗ vật liệu composite phục thuộc vào thiết kế loại máy bay Phần lớn xà dọc máy bay ngày làm hợp kim nhôm nguyên khối hợp kim nhôm tán gắn vào Với việc đẩy mạnh sử dụng composite kết hợp loại vật liệu làm cho việc thiết kế cánh đa dạng Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình Các dạng chữ I Trong kết cấu xà chữ I, phần gọi mũ (caps) tiết diện thẳng gọi kết cấu mạng (webs) Cả xà đúc từ khối kim loại đục lỗ thường làm từ nhiều phần gắn vào Kết cấu mạng gia cường cho thiết kế Kết hợp lại chúng chịu tải uốn cánh, phần mũ tạo phần để gắn vỏ cánh Hình Cấu tạo chữ I Ngoài ra, cấu trúc an tồn hư hại ln thiết để để đảm bào an tồn Có nghĩa xà hỏng, xà khác chia sẻ tải trọng phần hư hại để đảm bảo kết cấu tiếp tục nghiệm vụ Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Cánh ln có xà Một thường để phía trước cánh, lại 2/3 khoảng cánh từ mép vào đến mép cánh Bất kể thiết kế nào, xà dọc phần quan trọng cánh Khi cấu trúc cánh tải, phần lớn ứng suất sinh tác dụng vào xà dọc Ln có xà dọc hỗ trợ bổ sung, chúng phương với xà khơng dài hết chiều dài cánh 2.2.2 Cánh dạng khung sườn (Wing Ribs) Khung sườn cấu trúc kết hợp xà dọc dầm gắn để tạo nên khung cánh Nó thường sử dụng để mở rộng diện tích cánh từ xà trước tới mép vào mép Khung sường tạo hình dạn cho cánh truyền tỉa từ vỏ dầm gắn tới xà dọc Các cấu trúc sườn tương tự dùng cánh liệng, cánh lái độ cao, cánh lái hướng Sườn cánh thường tạo từ kim loại Hình Các thành phần cấu tạo kết cấu cánh Sườn cánh bao gồm sườn phụ sườn Sườn nối liền mép vào tới xà dọc mép Sường phụ có chức đảm bảo ăn toàn nên nối từ méo vào tới xà trước Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Hình Kết cấu cánh 2.2.3 Bề mặt cánh Thông thường, bề mặt cánh thiết kế để mang phần tải trọng chuyến bay tải trọng mặt đất kết hợp với xà dọc xà ngang Đây biết đến thiết kế bề mặt chịu ứng suất Phần cánh đúc rỗng hồn tồn kim loại, minh họa Hình cho thấy cấu trúc thiết kế Việc khơng có thêm trụ chống bên ngồi địi hỏi bề mặt phải chịu phần tải, Lưu ý bề mặt bị cứng để hỗ trợ chức Nhiên liệu thường mang bên cánh máy bay chịu ứng suất bề mặt Các khớp cánh bịt kín chất trám chịu nhiên liệu đặc biệt cho phép nhiên liệu lưu trữ trực tiếp bên kết cấu Đây gọi thiết kế cánh ướt Cách khác, bể chứa nhiên liệu lắp bên cánh Hình 1-36 cho thấy phần cánh với thiết kế cấu trúc dầm tìm thấy máy bay loại vận tải Cấu trúc tăng sức mạnh giảm trọng lượng Việc bịt kín cấu trúc cho phép nhiên liệu lưu trữ phần hộp cánh Bề mặt cánh máy bay làm từ nhiều loại vật liệu vải, gỗ nhôm Nhưng vật liệu mỏng lúc sử dụng Bề mặt nhơm hóa học cung cấp cho bề mặt có độ dày khác 10 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Sau có vật liệu, bắt đầu chia lưới đặt điều kiện biên Trong ô Mesh, đặt kiểu chia lưới Adaptive Kích thước lưới để mịn (fine) Mesh, Mesh Control, chọn All Body để kích cỡ lưới 0,004 m Ngồi chọn thêm Method, Hex để chia lưới lục giác có quy tác, tăng độ xác kết Hình 26 Lưới lục giác Sau chọn xong, ấn update mesh đợi Lưới có vai trị quan trọng đến việc xử lý, tính tốn kết toán Lưới mịn cho kết xác tốc độ xử lý tốn lâu Nếu lưới q thơ khiến thiếu tượng kết ô lưới to bỏ qua phản ứng vật liệu Nên chia lưới tập trung vào chỗ tập trung ứng suất xáy biến dạng lớn Lưới có cấu trúc giúp giảm tối đa số lưới cho kết xác 31 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 27 Lưới kết cấu Hình 28 Lưới vỏ Sau chia lưới thành công, vào Stactic Structural để đặt điều kiện biên Ở đặt Fixed Support vào đầu ngàm chữ I biêu trưng cho thân máy bay 32 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 29 Đặt điều kiện biên ngàm Do kết cấu cánh có khối lượng gần 12 kg nên ảnh hưởng tương đối tới kết cấu nên cần đặt thêm tải lực trọng trường cho cánh Đặt tải có phương theo chiều -y Gia tốc trọng trường lấy 9,8066 m/s2 Hình 30 Đặt lực trọng trường 33 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 31 Phương lực trọng trường Tiếp tới, Import kết từ mơ khí động cánh vào phần Setup Static Structure Chỉ cần kéo ô Solution từ Fluent sang Structural import Hình 32 Import tải khí động Sau kéo, mở Setup Lúc xuất thêm ô Imported Load Chuột phải vào đo chọn Insert, Pressure Chọn bề mặt cánh kết cấu Scope cánh mô Fluent ô Transfer Difinition Ấn Update Tải tác động lên điểm bề mặt cánh thể mũi tên với màu tượng trưng cho độ lớn 34 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Có thể thấy lực tác động lên mép vào lớn giảm dần mép Ở đầu mút cánh có xốy đấu mút nên lực nâng tăng bất ngờ tạo tải nguy hiểm Hình 33 Tải khí động Hình 34 Tải khí động 3.3.2 Xử lý Các giá trị cần xuất để xác định độ bền kết cấu bao gồm Biến dạng, Ứng suất (theo tiêu chuẩn Von-Mises), Chuyển vị, Safety Factor Damage Status 35 Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Hình 35 Các thơng số cần tính Sau chọn đủ ấn Solve Lúc phần mềm tính tốn giải cho kết theo phương pháp phần tử hữu hạn cho kết cấu 3.3.3 Hậu xử lý Từ kết xuất biết điểm tập trung ứng suất lớn giá trị để lường trước phá hủy xảy Ứng suất phân bố với giá trị 9,3458.10-11 Pa suốt kết cấu Hình 36 Ứng suất cánh Ứng suất lớn tập trung sườn đầu mút cánh với giá trị 5.10 Pa Ngồi ứng suất có giá trị trung bình gốc dầm chữ I với giá trị từ 1,3.108 tới 1,9.108 36 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 37 Ứng suất tối đa Hình 38 Ứng suất chữ I Tiếp đến giá trị biến dạng kết cấu Mới dạng 37 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 39 Biến dạng Hình 40 Chuyển vị cánh Ngồi ra, chuyển vị cánh giá trị quan trọng, chuyển vị lớn làm thay đổi hệ số khí động góc thay đổi theo kết cấu cánh Với kết cấu chuyển vị tối đa đầu mút cánh 130,34 mm Hệ số an toàn kết cầu bé 1,4802 bị vị đầu ngàm chữ I với rib Với giá trị này, kết cấu đạt yêu cầu bề độ bền tĩnh 38 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 41 Safety Factor Damage Status mức – không bị phá hủy 39 Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV So sánh với trường hợp khác • Vỏ Epoxy Carbon UD (230 GPa) dày 3mm, chữ I làm Nhôm, trục ribs làm Epoxy Carbon UD (395 GPa) Hình 42 Ứng suất Hình 43 Ứng suất 40 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 44 Biến dạng Hình 45 Chuyển vị • Với chữ I làm nhôm, vỏ Epoxy Carbon Woven (230 GPa) Prepreg dày 3mm, trục ribs làm Epoxy Carbon UB (395 GPa) Prepreg 41 Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Hình 46 Chuyển vị Hình 47 Chuyển vị Hình 48 Biến dạng 42 • Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Với chữ I làm Epoxy Carbon UD (395 GPa) Prepreg, vỏ (dày 3mm), ribs ống trụ làm Epoxy Carbon UD (230 GPa) Prepreg Hình 49 Chuyển vị Hình 50 Ứng suất 43 Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Hình 51 Ứng suất 44 Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Conceptual design, Structural and Flow analysis of an UAV wing – Military Institute of Science and Technology Design and Manufacture of a Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicle for Civilian Surveillance Missions Design and Optimization of Wing Structure for Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle – Ranney School 2012 Aviation Maintenance Technician Handbook–Airframe – 45 ... cạnh đầu cánh hình thành từ cấu trúc tổ ong 11 Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV Hình 11 Kết cấu hộp Tính tốn thiết kế 3.1 Các thơng số kết cấu cánh Cánh phận quan trọng máy bay, phận... mặt Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV cánh gân tăng cứng sử dụng mặt cánh Kết cấu cánh dầm hộp thường sử dụng cho dạng máy bay vận tải hàng khơng Hình Kết cấu cánh 2.2.1 Thanh xà dọc cánh. ..Mục Lục Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV Yêu cầu thiết kế thông số Thiết kế kết cấu cánh máy bay không người lái (UAV) với thơng số hình vẽ Hình Thơng số cánh Thông số Sải cánh b Dây