Tùy thuộc vào loại mô hình cần xây dựng, tài nguyên sẵn có, công nghệ chế tạo và trình độ của người thiết kế, ta có thể xây dựng được nhiều loại cấu trúc cánh khác nhau, mỗi loại lại có các tính năng, ưu và nhược điểm riêng. Một trong số những loại kết cấu cánh đơn giản nhất là kết cấu khung sườn và dầm không có tấm ốp (nonsheeted rib and spar), như ta thấy ở Hình 1a. Nó chỉ đơn giản bao gồm một dầm dọc, với các khung sườn có hình dạng giống hệt biên dạng cánh. Hầu hết các kết cấu là rỗng để làm cho cánh nhẹ hơn. Hình dạng của cánh cuối cùng sẽ được định hình bởi lớp vỏ, thường làm từ vật liệu nhựa co nhiệt (heatshrinking plastic). Lớp vỏ này sẽ góp phần làm tăng độ cứng của cánh, nhưng nó phải được phủ lên cẩn thận để không làm cho kết cấu bị cong vênh do quá trình co lại của vật liệu. Tuy nhiên, vì có các đặc điểm như trên nên loại kết cấu cánh này có tính đàn hồi rất lớn, và không có khả năng chịu được tải khí động cao. Một loại kết cấu cánh khác cũng thường được sử dụng trong các mô hình máy bay là cánh có tấm ốp (hay “bán ốp” semisheeted wing). Khác với kết cấu cánh trước, nó có thêm tấm ốp phủ lên một phần của khung dầm, với hình dạng giống với biên dạng của cánh máy bay. Kiểu kết cấu cánh này được biểu diễn trong Hình 1b. Bên trong tấm ốp có thể được để rỗng hoặc lấp đầy bởi một số vật liệu như xốp. Kết cấu cánh này nặng hơn so với kết cấu khung sườn và dầm không có tấm ốp, nhưng lại chịu được tải trọng cao hơn do độ cứng được tăng thêm. Đồng thời, nó cũng cho phép lực được truyền đến thân máy bay tốt hơn nhờ có tấm ốp.
Chương IV : Lắp ghép thử nghiệm BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o BÀI TẬP LỚN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀNG KHƠNG Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Anh - 20150096 Nguyễn Khắc Thái - 20153349 Nguyễn Tuấn Hùng - 20151804 Nguyễn Duy Anh - 20150088 Lớp Kỹ thuật Hàng không – k60 Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Đình Quý HÀ NỘI, 06/2019 Báo Cáo Mơn Ứng Dụng PP Số Trong Tính Tốn Kết Cấu Hàng KHông MỤC LỤC Báo Cáo Môn Ứng Dụng PP Số Trong Tính Tốn Kết Cấu Hàng KHơng Danh mục hình ảnh I THIẾT KẾ MƠ HÌNH CÁNH UAV Kết cấu cánh • Cấu tạo cánh: Cánh máy bay thường có cấu tạo bao gồm khung, dầm lớp vỏ (monocoque) • Kết cấu cánh: Tùy thuộc vào loại mơ hình cần xây dựng, tài ngun sẵn có, cơng nghệ chế tạo trình độ người thiết kế, ta xây dựng nhiều loại cấu trúc cánh khác nhau, loại lại có tính năng, ưu nhược điểm riêng Một số loại kết cấu cánh đơn giản kết cấu khung sườn dầm khơng có ốp (non-sheeted rib and spar), ta thấy Hình 1a Nó đơn giản bao gồm dầm dọc, với khung sườn có hình dạng giống hệt biên dạng cánh Hầu hết kết cấu rỗng để làm cho cánh nhẹ Hình dạng cánh cuối định hình lớp vỏ, thường làm từ vật liệu nhựa co nhiệt (heat-shrinking plastic) Lớp vỏ góp phần làm tăng độ cứng cánh, phải phủ lên cẩn thận để không làm cho kết cấu bị cong vênh trình co lại vật liệu Tuy nhiên, có đặc điểm nên loại kết cấu cánh có tính đàn hồi lớn, khơng có khả chịu tải khí động cao Một loại kết cấu cánh khác thường sử dụng mơ hình máy bay cánh có ốp (hay “bán ốp” - semi-sheeted wing) Khác với kết cấu cánh trước, có thêm ốp phủ lên phần khung dầm, với hình dạng giống với biên dạng cánh máy bay Kiểu kết cấu cánh biểu diễn Hình 1b Bên ốp để rỗng lấp đầy số vật liệu xốp Kết cấu cánh nặng so với kết cấu khung sườn dầm khơng có ốp, lại chịu tải trọng cao độ cứng tăng thêm Đồng thời, cho phép lực truyền đến thân máy bay tốt nhờ có ốp Hình 1: Kết cấu khung sườn dầm khơng có ốp Hình 2: Cánh có ốp dạng hộp chữ D Còn loại kết cấu gọi cánh ốp toàn (fullysheeted wing), với kết cấu khung sườn dầm bên bình thường, có lõi xốp Đây loại cánh khó chế tạo, địi hỏi người thiết kế cần phải có kỹ cao Kết cấu nặng hai loại trước đó, đặc biệt sử dụng lõi xốp, khơng mang lại cải thiện đáng kể cho cánh độ cứng khơng thay đổi nhiều Một ví dụ cánh ốp tồn thấy Hình 2a Hình 3: Cánh ốp tồn Hình 4: Cánh Jedelsky Cánh Jedelsky loại cấu trúc khác thường sử dụng mơ hình máy bay, tàu lượn Cấu trúc cánh tạo cách nối hai gỗ balsa, xốp, vật liệu khác, theo góc nghiêng cho sẵn Hình 2b cho thấy ví dụ cánh Jedelsky Kiểu cấu trúc cánh nhẹ, linh hoạt khơng thể chịu tải khí động cao Chính lý mà chủ yếu sử dụng tàu lượn Trên cấu trúc cánh sử dụng mơ hình máy bay Đơi khi, chúng kết hợp với để tạo cấu trúc cánh lai, với đặc điểm mang thứ chút từ loại cấu trúc Các thơng số thiết kế Khi thiết kế cánh cho máy bay, trước tiên người ta cần quan tâm tới khía cạnh khí động học cánh, cấu trúc cánh đ ược tính đến sau Như vậy, bước th ực quy trình thiết kế cánh chọn biên dạng cánh phù hợp với nhu cầu c máy bay, theo nhiệm vụ mà phải thực Lựa chọn xác đ ịnh h ệ số lực nâng tối đa () đạt Một số yếu tố ph ải đ ược tính đến giai đoạn này, bán kính mép trước cánh, tỷ lệ tối đa độ dày dây cung Giá trị tối ưu cho khoảng 14%, d ựa liệu thu thập từ biên dạng cánh máy bay s dụng ph ổ biến Việc lựa chọn quan trọng kết c ấu, quy ết định độ dày biên dạng cánh, từ tác động đến cách ứng x c cánh điều kiện bay khác Cánh dày độ c ứng chống uốn lớn, cho phép thành phần k ết cấu c cánh thiết kế nhẹ Khi lựa chọn chế tạo cánh máy bay, đ ộ vồng cần phải xem xét Nó chuyển góc t khơng sang giá trị âm, có nghĩa máy bay có khả tạo l ực nâng, th ậm chí góc Sau lựa chọn biên dạng cánh tính tốn hết tất c ả yếu tố trình bày trên, ta xem xét đến khía cạnh ba chi ều cánh Hình dạng cánh chọn dựa theo hệ số dãn dài cánh cho sẵn Hệ số xác tác đ ộng tích c ực đ ến hiệu suất cánh Tuy nhiên, cánh có hệ số dãn dài cao l ại mang đ ến số vấn đề cấu trúc, làm cho độ dài sải cánh tr nên l ớn Các góc quét cánh cần phải chọn cho phù hợp Điều đặc biệt quan trọng loại máy bay có vận tốc Mach cận âm trở lên, làm giảm tỉ số Mach có ích đo mép tr ước cánh, d ẫn đến giảm lực nâng tạo Do đó, việc bổ sung góc quét ch ỉ đ ược xem xét cho loại cánh máy bay có tỉ số = 0,4 trở lên Sau thực xong tất lựa chọn trên, hệ số l ực nâng ba chiều lực cản tác động lên cánh ước tính Tồn q trình thực lặp lặp lại đạt đ ược k ết qu ả nh mong muốn Khi hồn thiện tất bước trên, ta chuy ển sang thi ết k ế kết cấu cho cánh Quá trình thiết kế bắt đầu việc ước tính tải trọng mà cánh phải chịu, xem xét hệ số tải giai đoạn hoạt động khác máy bay Cụ thể, hệ số tải thiết kế tính cách nhân hệ số tải giới hạn - biểu th ị s đ V-n, với hệ số an tồn (sf): Sau tìm hệ số tải thiết kế, ta xác định tải trọng phân tán dọc theo cánh Dựa liệu thu từ việc tính tốn khí động học kích thước ban đầu cánh phần trước, ta thu đ ược giá tr ị xấp xỉ khác phân bố lực nâng bề rộng cánh C ụ th ể xét dạng elip, phân bố tính theo cơng th ức: Trong L đại diện cho lực nâng tổng th ể, b s ải cánh y t ọa đ ộ theo chiều ngang, đo từ gốc cánh đến đầu mút cánh Sau bước này, lực khác tác động lên cánh đ ược ước tính Tr ọng lượng cánh, nhiên liệu, trọng lượng động (khi bình nhiên li ệu đ ộng đặt cánh) tải trọng xét đến giai đo ạn Khi biết tất lực này, ta đưa m ột phân tích cụ th ể v ề lực cắt sơ mômen uốn, cách coi cánh nh m ột dầm côngxơn cố định (ngàm) gốc cánh Thông thường, s đồ s ự phân bố lực cắt mômen uốn theo chiều rộng cánh vẽ ra, cho phép nhận dạng vị trí điểm dọc theo cánh mà phải chịu áp lực lớn Quá trình cịn lại bao gồm thiết kế thực tế kết cấu bên Điều phụ thuộc vào loại máy bay cần xem xét, m ỗi lo ại thi ết kế kết cấu khác lại đem đến ưu nhược điểm khác Việc xác định thông số thiết kế cho máy bay vơ quan tr ọng, suốt q trình thiết kế, có nhiều thay đổi v ề kết cấu đ ược th ực Một quy trình thiết kế thơng số cho phép điều ch ỉnh nhanh chóng mơ hình CAD, mà khơng cần phải bắt đầu lại tồn q trình Để giải vấn đề này, trước hết cần phải xác định thông số thiết kế Sau đó, người ta xem xét đến thi ết k ế c ấu trúc d ự kiến sử dụng, để hiểu đầy đủ tính Bằng cách xem xét nhiều loại cấu trúc khác nhau, ng ười ta có th ể xác định chúng có chung số tính Ngoại trừ cánh Jedelsky, thấy cấu trúc cánh có ốp cánh khơng có ốp có khung sườn dọc theo chiều dài sải cánh Những đặc điểm kết c ấu có vai trị quan trọng, ln xuất thiết k ế c cánh máy bay Tuy nhiên, số lượng khung sườn kho ảng cách gi ữa chúng khác Như vậy, khoảng cách khung sườn tham số xem xét đến, dùng để xác đ ịnh s ố lượng khung sườn dọc theo hướng sải cánh Về khung sườn, hình dạng chúng tương tự biên dạng cánh, yếu tố kết cấu định hình dạng cho cánh Tuy nhiên, số vị trí bề mặt khung sườn kht rỗng, khơng để dây cáp cần thiết cho hệ thống điều khiển luồn qua, mà giúp giảm trọng lượng tổng thể cho cánh Tham số đại diện cho tổng diện tích bị khoét rỗng bên khung sườn gọi Ngoài ra, đ ộ dày khung sườn tham số khác cần xem xét Một thành phần phổ biến khác loại kết cấu cánh đ ược trình bày dầm dọc cánh (hay xà dọc cánh) Dựa vào tiết diện c dầm, ta xác định nhiều thông số khác nhau, nh ững thông số định kích thước dầm Hình 5: Tiết diện dầm Bằng cách gán giá trị cho thơng số trên, ta có th ể điều ch ỉnh chi ều dài độ dày dầm Phương pháp tạo m ột d ầm có tiết diện hình chữ nhật, hình chữ T Đối với vị trí khung sườn so với dây cung cánh, ta tìm đ ược tham số đặc trưng cho khoảng cách từ mép trước cánh t ới v ị trí đặt dầm Đối với dầm tròn, tham số giúp ta xác định đường kính ngồi , đường kính , vị trí so với dây cung cánh Việc khơng có góc nhị diện xem xét Vì góc xoắn c ần thi ết để dịng xốy đầu mút cánh đạt tới giá trị theo yêu cầu, đ ược t ạo cách điều chỉnh góc đặt cánh, Bảng tóm tắt tham số trình bày Tùy thu ộc vào phần thiết kế, tham số liên quan đ ược ch ọn s dụng, cho phép điều chỉnh nhanh chóng kích thước tổng thể phận cánh Thông số diễn tả Sải cánh Gốc dây cung Đầu mút dây cung Khoảng cách khung sườn Độ dày khung sườn Độ rỗng khung sườn Độ dài gân tăng cường Độ dày gân tăng cường Độ dài mặt bích Độ dày mặt bích Độ dài mặt bích Độ dày mặt bích Vị trí dầm (dọc) theo hướng dây cung Bán kính ngồi dầm trịn Bán kính dầm trịn Vị trí dầm trịn theo hướng dây cung Góc đặt cánh Bảng tóm tắt thơng số cánh Kí hiệu b Hình 37: Bảng thơng số Thép Hình 38: Thơng số vật liệu Polyme (Epoxy cacbon) Kết kiểm bền kết cấu Nhóm thực lần thử nghiệm, lần thay đổi loại vật liệu khác cho dầm, khung sườn, vỏ để tìm vật liệu phù hợp cho kết cấu đủ bền, có hệ số an tồn >1 có chuyển vị phù hợp Các giá trị tính tốn bao gồm Total Deformation, Equivalent Elastic Strain, Equivalent Stress, Safety Factor (Chuyển vị, Biến dạng, Ứng suất Hệ số an toàn) Kết tính thơng số kết cấu thể hình đây: A Thử nghiệm lần - Các vật liệu sử dụng: + Vỏ: gỗ balsa + Khung sườn: nhôm - + Dầm: thép Khối lượng tổng thể: 8.7 kg Kết quả: Không đủ bền + Chuyển vị: 169.5 mm Hình 39 (TN1): Chuyển vị khung dầm Hình 40 (TN1): Chuyển vị cánh hướng nhìn thẳng Hình 41 (TN1): Chuyển vị cánh Hình 42 (TN1): Biến dạng khung dầm Hình 43 (TN1): Vị trí có biến dạng lớn Hình 44 (TN1): Phân bố ứng suất khung dầm Hình 45 (TN1): Vị trí ứng suất lớn Hình 46 (TN1): Hệ số an tồn kết cấu Hình 47 (TN1): Vị trí khơng đủ bền + Hệ số an tồn: 0,78 < 1, Khơng đủ bền B Thử nghiệm lần - Các vật liệu sử dụng: + Vỏ: nhôm + Khung sườn: nhôm - + Dầm: nhôm Khối lượng tổng thể: 14 kg Kết quả: Đủ bền nặng + Chuyển vị: 10.6 mm chuyển vị nhỏ Hình 48 (TN2): Chuyển vị khung dầm Hình 49 (TN2): Biến dạng khung dầm Hình 50 (TN2): Vị trí biến dạng lớn Hình 51 (TN2): Phân bố ứng suất Hình 52 (TN2): Vị trí ứng suất lớn Hình 53 hệ số an tồn cho khung dầm TH2 + Hệ số an toàn: 2.38 > 1, đủ bền - Nhận xét: Cánh đủ bền nặng, chuyển vị lại nhỏ, không phù hợp C Thử nghiệm lần 3: - Các vật liệu sử dụng: + Vỏ: gỗ balsa + Khung sườn: Polyme (Epoxy cacbon) - + Dầm: Polyme Khối lượng tổng thể: 7.8kg Kết quả: Đủ bền, phù hợp + Chuyển vị: 186.85 mm Hình 54 (TN3): Chuyển vị cánh Hình 55 (TN3): Biến dạng cánh Hình 56 (TN3): Vị trí biến dạng lớn Hình 57 (TN3): Ứng suất cánh Hình 58 (TN3): Vị trí ứng suất lớn Hình 59 (TN3): Hệ số an tồn cánh + Hệ số an toàn: 1.16 >1, đủ bền + Kiểm bền: Giá trị Min, Max=0 nghĩa đủ bền, kết cấu khơng bị phá hủy Hình 60 (TN3): Kiểm bền khung sườn IV TỔNG KẾT Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy cho thêm hội để chỉnh sửa lại làm mình, có thiếu sót nghiêm trọng báo cáo mơ trước Trong tuần qua, nhóm làm việc chăm thu kết mong muốn với kết cấu đủ bền (hệ số an toàn > 1), khối lượng toàn cánh tương đối thấp – 10 kg cho 3m cánh, chuyển vị phù hợp ( > 160 mm) Với khó khăn ban đầu việc giảm khối lượng, tăng độ bền phá hủy cho kết cấu, nhóm cố gắng dần cải thiện thiết kế khung dầm, vị trí, kích thước… hay thay đổi vật liệu, kinh nghiệm q khơng có thầy mong muốn, mà chúng em tiếp thu học hỏi Bài báo cáo vài hạn chế Tuy đáp ứng mặt kỹ thực hành mơ chưa kiểm chứng độ xác mơ hình Các báo cáo sau nên cần bổ xung thêm tiêu chí đánh giá, kiểm định chất lượng mơ mơ hình cánh thiết kế, nên bổ xung thêm phần tính tốn lý thuyết-cần phải có thêm lý xác đáng cho thiết kế TÀI LIỆU THAM KHẢO Mário Hernâni Silva Ramos - Construction and Analysis of a Lightweight UAV Wing Prototype Khodijah Kholish Rumayshah - Design of high altitude long endurance UAV: Structure analysis of composite wing using finite element method Bruno Jorge Pereira Cadete - Aero-Structural Optimization of Sailplane Wings Balsa, MakeItFrom, https://www.makeitfrom.com/material properties/Balsa ... Cáo Mơn Ứng Dụng PP Số Trong Tính Tốn Kết Cấu Hàng KHông MỤC LỤC Báo Cáo Môn Ứng Dụng PP Số Trong Tính Tốn Kết Cấu Hàng KHơng Danh mục hình ảnh I THIẾT KẾ MƠ HÌNH CÁNH UAV Kết cấu cánh • Cấu tạo... đầy số vật liệu xốp Kết cấu cánh nặng so với kết cấu khung sườn dầm khơng có ốp, lại chịu tải trọng cao độ cứng tăng thêm Đồng thời, cho phép lực truyền đến thân máy bay tốt nhờ có ốp Hình 1: Kết. .. mà chủ yếu sử dụng tàu lượn Trên cấu trúc cánh sử dụng mơ hình máy bay Đôi khi, chúng kết hợp với để tạo cấu trúc cánh lai, với đặc điểm mang thứ chút từ loại cấu trúc Các thông số thiết kế Khi