Qua kết quả mô phỏng trên, ta có thể thấy được lực khí động tác động lên cánh như thế nào, và nó có ảnh hưởng gì tới cánh, từ đó đưa ra cánh khắc phục. Các phân bố áp trên cánh và vận tốc trên cánh.Tuy đây chỉ là bài tập lớn mang tính chất mô phỏng, chưa đưa ra được bài toán chính xác thực tế. Nhưng bài mô phỏng trên giúp em biết được cách sử dụng phần mềm ANSYS và các bước tiến hành để giải quyết bài toán thực tế. Đây sẽ là tiền đề cho bài toán thực tế thực sự cho em trong những bài tiếp theo.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BTL ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀNG KHƠNG GVHD: TS Vũ Đình Q Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm Họ tên MSSV Đồn Văn Lợi 20142728 Trương Hồng Sơn 20143889 Nguyễn Tài Đức 20141155 Đinh Công Đạt 20140948 HÀ NỘI, 06/2019 Mục lục Phần I: Cơ sở lý thuyết 1.1 Trạng thái ứng suất 1.1.1 Vec tơ ứng suất Dùng phương pháp tiết diện để nghiên cứu trạng thái ứng suất vật thể biến dạng (Hình 1.1a) Xét phân tố diện tích S chứa điểm M có pháp tuyến v bên vật thể Giả thiết nội lực tác dụng lên diện tích S đưa lực tương đương p M ngẫu lực M Khi S tiến tới (vẫn chứa M) p tiến tới dp/dS cịn M/ S tiến tới không Đại lượng (1.1) vectơ ứng suất phần tử tiết diện qua điểm M có pháp tuyến v Vectơ ứng suất biểu thị nội lực tác dụng lên đơn vị diện tích tiết diện qua điểm vật thể biến dạng Vec tơ ứng suất chiếu lên phương pháp tuyến tiếp tuyến với mặt căt (hình 1.1.b) ta có biểu diễn Hình 1.1 Vec tơ ứng suất Thứ nguyên ứng suất lực/chiều dài(bình phương), đơn vị thường dùng N/ (Pa – Pascal), MN/ (MPa – Mega Pascal) Thành phần theo phương pháp tuyến, kí hiệu , gọi ứng suất pháp Thành phần theo phương tiếp tuyến, kí hiệu , gọi ứng suất tiếp Khi đó, ứng suất p Quy ước dấu ứng suất sau (hình 2.2) Ứng suất pháp gọi dương chiều chiều dương pháp tuyến ngồi mặt cắt Ứng suất pháp kí hiệu với (hoặc 2) số ví dụ (hoặc ) chiều pháp tuyến Ứng suất tiếp gọi dương pháp tuyến mặt cắt quay theo chiều kim đồng hồ trùng với chiều ứng suất tiếp Ứng suất tiếp kí hiệu với hai số ví dụ , số thứ chiều pháp tuyến, số thứ hai chiều song song với ứng suất tiếp Hình 1.2 Quy ước dấu số thành phần ứng suất 1.1.2 Tenxơ ứng suất Để xét trạng thái ứng suất điểm, ta xét phân tố đủ nhỏ điểm ta chiếu lên hệ tọa độ đề vng góc Khi hình chiếu lên trục tọa độ , , biểu diễn qua vec tơ pháp tuyến v(l, m, n) sáu thành phần , , , , (hình 1.3) Sáu thành phần khái qt hóa tình trạng chịu lực điểm, tập hợp tất ứng suất mặt cắt qua trạng thái ứng suất điểm, (hình 1.3) Hình 1.3 Thành phần ứng suất phân tố Sáu thành phần ứng suất (ba ứng suất pháp ba ứng suất tiếp) xác định hệ tọa độ lựa chọn Theo định nghĩa chúng thành phần ten xơ bậc hai đối xứng gọi ten xơ ứng suất Ta nói trạng thái ứng suất biểu diễn ten xơ ứng suất bậc hai đối xứng, kí hiệu theo cách sau (1.4) Theo định nghĩa ten xơ, ta lựa chọn hệ tọa độ cho thành phần ứng suất tiếp không Hệ tọa độ xác định hướng ứng suất, hướng tìm từ hệ phương trình Viết dạng ma trận (1.5) Nói cách khác điểm ta tìm ba mặt vng góc mặt chính, có pháp tuyến hướng Ứng suất pháp mặt ứng suất chính, kí hiệu , , quy ước theo giá trị đại số Ứng suất xác định từ phương trình 1.6 đó, ,là bất biến ten xơ ứng suất bậc hai có dạng 1.7 Ở mặt phẳng tạo với hướng góc ta có trạng thái ứng suất mà ứng suất tiếp đạt cực trị Chúng có giá trị tính qua ứng suất sau 1.8 1.1.3 Phân loại trạng thái ứng suất Phân loại trạng thái ứng suất dựa trường hợp khác ứng suất Trạng thái ứng suất khối ba ứng suất khác khơng, ba mặt có ứng suất pháp, , (hình 1.4a) Trạng thái ứng suất phẳng hai ba ứng suất khác khơng, mặt có ứng suất pháp khơng, hai mặt cịn lại ứng suất pháp khác khơng , , (hình 1.4b) Trạng thái ứng suất đơn ba ứng suất khác khơng, hai mặt có ứng suất pháp khơng, mặt cịn lại ứng suất pháp khác khơng , , (hình 1.4c) Trạng thái ứng suất trượt túy trạng thái ứng suất phẳng đặc biệt tìm hai mặt vng góc hai mặt có ứng suất tiếp, khơng có ứng suất pháp (hình 1.4d) Khi xem xét tốn ta gặp chủ yếu trạng thái ứng suất phẳng, nên ta xem xét kĩ trạng thái ứng suất Hình 1.4 Các trạng thái ứng suất (TTƯS) 1.1.4 Quan hệ ứng suất nội lực Ứng suất điểm mặt cắt ngang chiếu lên thành thành phần , , Khi ta có quan hệ ứng suất nội lực mặt cắt sau 1.2 Trạng thái biến dạng 1.2.1 Chuyển vị biến dạng Chuyển vị thay đổi vị trí điểm, hay góc quay đoạn thẳng nối hai điểm tác động ngoại lực Biến dạng thay đổi hình dạng kích thước vật thể tác dụng tải trọng Biến dạng lân cận điểm tập hợp hàm tọa độ xác định độ dãn đoạn vật chất vô nhỏ qua điểm cho trước xác định thay đổi góc hai đoạn vật chất vô bé Khi xét chuyển vị ta xét thay đổi vị trí tiết diện trước sau bị biến dạng Chuyển vị gồm chuyển động tịnh tiến trọng tâm tiết diện chuyển động quay hình phẳng tiết diện quanh trọng tâm Biến dạng thay đổi kích thước hình dáng tiết diện, thay đổi chiều dài, độ cong, độ xoắn trục Thông thường sức bền vật liệu quan tâm chủ yếu đến biến dạng trục thanh, theo biến dạng trục ta phân loại Thanh chịu kéo nén: trục không bị cong, tiết diện chuyển động tịnh tiến dọc trục trục bị co lại giãn Thanh chịu cắt: trục không thay đổi độ cong bị gián đoạn, tiết diện trượt so với không biến dạng Thanh chịu xoắn: trục không bịộ cong không thay đổi độ dài, tiết diện khơng có chuyển vị tịnh tiến có chuyển vị quay quanh trọng tâm mặt phẳng tiết diện Thanh chịu uốn: trục bị cong đi, độ dài trục không đổi Khi tồn chuyển vị tịnh tiến chuyển vị quay tiết diện Thanh chịu lực phức tạp tổ hợp bốn trường hợp Như nói chương ta dùng nguyên lí cộng tác dụng để xét biến dạng tiết diện 1.2.2 Ten xơ biến dạng Với giả thiết biến dạng nhỏ ta có quan hệ biến dạng chuyển vị (u,v,w) hệ thức Cauchy Ý nghĩa vật lí , độ dãn sợi vật chất biến dạng theo trục 2, cosin góc hai phần tử đường sau biến dạng, độ biến dạng trượt Như trạng thái biến dạng xác định ten xơ biến dạng, ten xơ bậc hai đối xứng Ta tìm hướng hướng có thành phần tenxơ đường chéo khác không từ phương trình Biến dạng xác định từ phương trình bất biến ten xơ biến dạng Biến dạng trượt biểu diễn bằng: Biến dạng góc định nghĩa 1.3 Định luật Hooke Khi vật liệu đồng nhất, đẳng hướng biến dạng vật thể đàn hồi tuyến tính có trị số bé ta có định luật Hooke biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng E mô đun đàn hồi, v hệ số Poision mơ dun trượt G tính qua E v cơng thức Ngược lại, biểu diễn ứng suất qua biến dạn Quan hệ định luật Hooke viết dạng ma trận {} vectơ sáu thành phần biến dạng {} vectơ sáu thành phần ứng suất [e] ma trận vng đối xứng có dạng Nghịch đảo phương trình biểu diễn ứng suất qua biến dạng hay dạng ma trận phương trình ma trận [d] nghịch đảo ma trận [e] ma trận vuông đối xứng [d] [e] ma trận hệ số đàn hồi 10 Phần II: Bài tốn mơ kết cấu cánh 2.1 Đặt vấn đề Thiết kế kiểm bền kết cấu cánh cho UAV biết: Thơng số hình học cánh: Hình 1: Kích thước cánh (m) Hình 2: Profile cánh Eppler 212 Góc đặt cánh 4º Vận tốc hành trình: 25m/s 11 Khối lượng cất cánh tối đa: 12kg 2.2 Thiết kế mơ hình Có nhiều loại thiết kế kết cấu cánh khác nhau: Nhóm em tham khảo dựa mẫu thiết kế để tạo kết cấu cho cánh: 12 Mẫu cánh yêu cầu đề Cánh bao gồm 12 wing ribs đặt song song dọc theo chiều dài cánh 13 Các spars bố trí làm gia tăng kết cấu cho cánh 2.3 Sử dụng phần mềm Ansys để giải toán Để xem biết chuyển vị cánh bay với vận tốc Ta lập sơ đồ mô Ansys sau Trước tiên mô cánh fluent với vận tốc xác định để tìm áp suất bề mặt trên, đầu mũi cánh, sau mơ static structural sơ đồ sau Sơ đồ mơ tốn Ansys Bật Geometry Fluid flow, import file catia dạng.igs vào dựng không gian điều kiện biên Dựng không gian không rộng so với cánh không hẹp so với cánh, cho để không ảnh hưởng lớp biên vào cánh khả máy tính bạn 14 Để dễ dàng việc chia lưới, có chất lượng lưới tốt em sử dụng ICEM CFD Ansys Chất lượng lưới quan trọng cho ta kết mơ tốt đẩy nhanh q trình tính tốn máy tính Với toán ta chia lưới dầy phần cánh chia thưa phía xa cánh sử dụng cơng cụ có ICEM CFD Lưới nhập vào Ansys Fluent Các thông số cần cài đặt fluent gồm: +Models => lựa chọn phương trình k+Mateials => lựa chọn Fluid (air) +Boundary condition( điều kiện biên) +In, velocity-inlet =>vận tốc vào 25 m/s +Out, Outflow +Wall_left => symetry +Còn lại wall +Monitors => chọn mass flow rate => in +Solution initialization ( khởi tạo tính tốn) 15 Sau khởi tạo tính toán chọn số lần lặp 1000 lần lặp đợi máy tính tính tốn Kết mơ áp suất bề mặt cánh Sau ta đưa kết khí động có vào static structural để kiểm tra độ bền cánh: 16 Static Structual Chia lưới cánh static structural Ta sử dụng công cụ mesh để chia lưới Body sizing, Element size = 0.008 m Tổng số lưới 252478 Fixed support 17 Sau ngàm phần gốc cánh ta bắt đầu import load từ file khí động mơ từ trước vào, chọn bề mặt cánh hình: Imported load Sau thêm tác dụng trọng lực lên cánh: Earth Gravity Sau thêm vật liệu cho chi tiết cánh: + Wing surface wing ribs sử dùng vật liệu Epoxy Carbon UD (230 GPa) Prepreg + Wing spars sử dụng vật liệu Aluminum Alloy Tổng trọng lượng cánh 11,204 kg 18 Sau setup đầy đủ ta bắt đầu chạy mô kết cấu Kết thu sau: Tổng chuyển vị: Total defomation Chuyển vị max 10.044 cm 19 Ứng suất tương đương: Equivalent Stress Như thấy hình ứng suất lớn tập trung chủ yếu phần gốc cánh nằm chủ yếu spars Ngồi phân bố mép vào mép cánh 20 Phần III: Kết Luận Qua kết mô trên, ta thấy lực khí động tác động lên cánh nào, có ảnh hưởng tới cánh, từ đưa cánh khắc phục Các phân bố áp cánh vận tốc cánh.Tuy tập lớn mang tính chất mơ phỏng, chưa đưa tốn xác thực tế Nhưng mơ giúp em biết cách sử dụng phần mềm ANSYS bước tiến hành để giải toán thực tế Đây tiền đề cho toán thực tế thực cho em 21 ... mặt có ứng suất pháp khơng, hai mặt cịn lại ứng suất pháp khác khơng , , (hình 1.4b) Trạng thái ứng suất đơn ba ứng suất khác khơng, hai mặt có ứng suất pháp khơng, mặt cịn lại ứng suất pháp khác... 2) số ví dụ (hoặc ) chiều pháp tuyến Ứng suất tiếp gọi dương pháp tuyến mặt cắt quay theo chiều kim đồng hồ trùng với chiều ứng suất tiếp Ứng suất tiếp kí hiệu với hai số ví dụ , số thứ chiều pháp. .. thái ứng suất Phân loại trạng thái ứng suất dựa trường hợp khác ứng suất Trạng thái ứng suất khối ba ứng suất khác khơng, ba mặt có ứng suất pháp, , (hình 1.4a) Trạng thái ứng suất phẳng hai ba ứng