Bài toán thiết kế đặt ra là một bài toán tương tác khi động FSI. Cánh trong quá trình hoạt động sẽ chịu tải khí động gây ra ứng suất trong kết cấu. Bởi vậy, để giải bài toán theo yêu cầu đặt ra, nhóm xây dựng phương án thiết kế như sau:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI TẬP LỚN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀNG KHƠNG Thiết kế kiểm bền cánh UAV Sinh viên thực Giáo viên hướng dẫn VƯƠNG TIẾN DŨNG 20150730 NGHIÊM QUỐC HUY 20151666 NGUYỄN ANH LINH 20152190 ĐINH ĐỨC MẠNH 20152384 TS VŨ ĐÌNH QUÝ HÀ NỘI 06-2019 MỤC LỤC Đề Phương án thiết kế .4 Tính tốn áp suất khí động phân bố cánh 2.1 Xây dựng mơ hình hình học 2.2 Chia lưới 2.3 Cài đặt thông số vật lý điều kiện biên 2.4 Lựa chọn phương pháp rời rạc hóa sai số hội tụ 2.5 Chạy mô 10 2.6 Đánh giá kết 10 Thiết kế kết cấu cánh kiểm bền .13 3.1 Thiết kế kết cấu cánh 13 3.1.1 Thiết kế khung sườn cánh xà 14 3.1.2 Thiết kế vỏ cánh 18 3.1.3 Lắp ghép chi tiết 18 Mô kết cấu ANSYS Mechanical .19 4.1 Nhập mơ hình kết cấu vào ANSYS Mechanical 19 4.2 Chia lưới .19 4.3 Tải lực khí động lên bề mặt cánh 20 4.4 Đặt điều kiện biên 20 4.5 Chọn vật liệu 21 4.6 Tính ứng suất, biến dạng chuyển vị 22 4.7 Kiểm bền kết cấu 24 Thiết kế tối ưu hóa kết cấu cánh 26 5.1 Thiết kế tăng cường kết cấu cánh 26 5.2 Mô tính hệ số an tồn 28 5.3 Tối ưu hóa khối lượng 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1: Kích thước cấu hình cánh Hình 2: Profile Eppler 212 Hình 3: Sơ đồ phương án thiết kế kiểm bền cánh Hình 4: Sơ đồ bước mơ khí động Hình 5: Mơ hình cánh góc nhìn ISO Hình 6: Mơ hình cánh nhìn từ theo trục Y Hình 7: Module Geometry Hình 8: Mơ hình cánh DesignModeler .6 Hình 9: Mơ hình hình học mô cánh Hình 10: Lưới có cấu trúc chia ICEM Hình 11: Lưới bề mặt cánh Hình 12: Chất lượng lưới theo tiêu chí determinant 2x2x2 Hình 13: Các mặt đặt tên Hình 14: Lịch sử hội tụ phương pháp giải 10 Hình 15: Lịch sử hội tụ lực nâng cánh 10 Hình 16: Đường dòng qua cánh 11 Hình 17: Xốy khu vực đầu mút cánh 11 Hình 18: Áp suất mặt mặt cánh .12 Hình 19: Lực nâng tác dụng lên cánh 12 Hình 20: Đồ thị hệ số lực nâng theo góc 13 Hình 21: Sơ đồ bố trí khung sườn cánh sơ đồ bố trí xà 15 Hình 22: Các khung sườn sau vẽ đục lỗ Từ xuống rib 1-6, 7, 8, 9, 10, vị trí tương đối ribs với 17 Hình 23: Chi tiết vỏ cánh 18 Hình 24: Kết cấu cánh sau ghép xà 18 Hình 25: Kết cấu cánh hoàn chỉnh .19 Hình 26: Lưới chia khu vực bề mặt cánh 19 Hình 27: Lưới chia khu vực kết cấu bên 20 Hình 28: Áp suất khí động sau tải lên bề mặt cánh .20 Hình 29: Vị trí đặt liên kết ngàm (màu xanh) 21 Hình 30: Chuyển vị cánh .22 Hình 31: Biến dạng cánh (Equivalent Von-mises Strain) 23 Hình 32: Ứng suất cánh (Equivalent Von-mises Stress) 23 Hình 33: Vị trí ứng suất lớn nằm đầu mũi rib nhỏ (rib 10) 24 Hình 34: Biến dạng lớn nằm vị trí đầu rib 24 Hình 35: Kết tính hệ số an toàn kết cấu 25 Hình 36: Vị trí hệ số an tồn thấp nằm rib 10 (0.54975) .25 Hình 37: Vị trí hệ số an tồn thấp vị trí thành xà gốc cánh 26 Hình 38: Kết cấu cánh (vỏ bao bên ngoài) 26 Hình 39: Kết cấu cánh 27 Hình 40: Tổng chuyển vị cánh .28 Hình 41: Hệ số an toàn nhỏ kết cấu lớn vị trí 28 Hình 42: Hệ số an toàn khu vực xung yếu 29 Hình 43: Tổng khối lượng cánh sau thay đổi vật liệu 30 Hình 44: Hệ số an toàn cánh .30 Hình 45: Hệ số an tồn xà gốc cánh 31 Hình 46: Giá trị damage status khu vực khung sườn 31 DANH MỤC BẢN Bảng 1: Thông số lưới Bảng 2: Thơng số vật lý khơng khí Bảng 3: Điều kiện biên Bảng 4: Kích thước xà kết cấu .14 Bảng 5: Thông số vật liệu gỗ Balsa .21 Bảng 6: Vật liệu khối lượng chi tiết cánh 22 Bảng 7: Các giá trị ứng suất, chuyển vị biến dạng lớn 24 Bảng 8: Giá trị ứng suất, chuyển vị biến dạng lớn kết cấu cánh 28 Bảng 9: Ứng suất, chuyển vị, biến dạng lớn kết cấu sử dụng vật liệu composite 30 Đề Thiết kế kiểm bền kết cấu cánh UAV với cấu hình thơng số sau: Hình 1: Kích thước cấu hình cánh Profile cánh cho trước: EPPLER 212 Hình 2: Profile Eppler 212 Các thơng số hoạt động cánh: - Góc đặt cánh: độ - Vận tốc hành trình: 25m/s Phương án thiết kế Bài toán thiết kế đặt toán tương tác động FSI Cánh trình hoạt động chịu tải khí động gây ứng suất kết cấu Bởi vậy, để giải toán theo yêu cầu đặt ra, nhóm xây dựng phương án thiết kế sau: Tính tốn áp suất khí động Thiết kế kết cấu cánh Đánh giá Tối ưu hóa thiết kế Kiểmbền kết cấu Hình 3: Sơ đồ phương án thiết kế kiểm bền cánh Nhóm sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để tính tốn khí động ANSYS Mechanical để kiểm bền kết cấu Tính tốn áp suất khí động phân bố cánh Trong trình hoạt động máy bay, chênh lệch áp suất mặt tạo lực nâng cho cánh Chính lực nâng đồng thời gây ứng suất, biến dạng chuyển vị kết cấu cánh Do đó, phân bố áp suất cánh thông số vô quan trọng cần thiết để thiết kế kết cấu cánh máy bay Sự phân bố áp suất cánh phụ thuộc vào đặc điểm hình học cánh, góc đặt cánh, tốc độ máy bay, xốy đầu mút cánh… Nhóm tiến hành mơ cánh để lấy áp suất phân bố Các bước thực mô cho sơ đồ sau: Xây dựng mơ hình hình học Chia lưới Cài đặt thông số Vật lý Đánh giá kết Chạy mô Chọn mơ hình rời rạc hóa Hình 4: Sơ đồ bước mơ khí động 2.1 Xây dựng mơ hình hình học Mơ hình cánh xây dựng phần mềm SOLIDWORKS Các tọa độ profile tính chỉnh cho với kích thước cánh cho trước Phương pháp vẽ đảm bảo tính xác mơ hình so với u cầu Để mơ khí động, mơ hình khơng địi hỏi phải thiết kế chi tiết cấu tạo bên cánh mà cần tạo thành khối cánh đặc Mơ hình cánh sau vẽ hình bên dưới: Hình 5: Mơ hình cánh góc nhìn ISO Hình 6: Mơ hình cánh nhìn từ theo trục Y Tiếp theo, mơ hình đưa vào phần mềm ANSYS để mơ khí động Phần mềm ANSYS nhóm sử dụng phiên ANSYS 18.2 Hình 7: Module Geometry Mơ hình xử lý module Geometry mơi trường DesignModeler Tại đây, khối khí bao quanh mơ hình cánh xây dựng Đây khối khí sử dụng để mơ Khối khí bao quanh phải đảm bảo bao trùm toàn cánh, đồng thời, khoảng cách mặt bên khối cánh phải thích hợp để tránh bị ảnh hưởng Sau xây dựng, khối khí có kích thước 4x4x1, gồm 11 mặt, 24 cạnh 16 điểm Mơ hình cánh chỉnh nghiêng độ so với phương nằm ngang (góc đặt cánh) Hình 8: Mơ hình cánh DesignModeler Hình 9: Mơ hình hình học mơ cánh 2.2 Chia lưới Để đạt chất lượng mô tốt nhất, đặc biệt thu áp suất phân bố bề mặt cách xác nhất, nhóm thực chia lưới module ICEM tích hợp sẵn ANSYS ICEM phần mềm chia lưới bán tự động Lưới chia lưới có cấu trúc dựa việc xây dựng khối (block) gắn với vật thể Phương pháp chia lưới cho phép kiểm soát kích thước phần tử lưới, số lưới khu vực mong muốn, từ đạt chất lượng lưới tốt phù hợp Hình 10: Lưới có cấu trúc chia ICEM Hình 11: Lưới bề mặt cánh Thông số lưới: NODES QUADS HEXA 2,780,127 147,726 2,705,903 Bảng 1: Thông số lưới Chất lượng lưới theo tiêu chí determinant 2x2x2 Hình 12: Chất lượng lưới theo tiêu chí determinant 2x2x2 Các bề mặt đặt tên để thuận tiện cho việc thiết lập điều kiện biên bước sau SYMMETRY WING OUTLET INLET BOX Hình 13: Các mặt đặt tên 2.3 Cài đặt thông số vật lý điều kiện biên Phương pháp giải mơ hình phương pháp dựa áp suất (pressurebased) dịng chảy có vận tốc 25m/s tức dịng âm Mơ hình rối sử dụng mơ hình Relizable K-epsilon với phương pháp Enhanced Wall Treatment Lưu chất khơng khí với thông số: Khối lượng riêng 1.225 kg/m3 Độ nhớt động học 1.7894e-5 kg/ms Bảng 2: Thông số vật lý khơng khí Điều kiện biên đặt theo bảng đây: Mặt INLET OUTLET WING BOX SYMMETRY Loại biên Velocity-inlet Pressure-outlet Wall Wall symmetry Điều kiện 25 m/s Pa No slip wall No slip wall symmetry Bảng 3: Điều kiện biên 2.4 Lựa chọn phương pháp rời rạc hóa sai số hội tụ Phương pháp rời rạc hóa phương trình vị phân lựa chọn Coupled, second order upwind để đạt kết mơ xác Sai số hội tụ đặt 10-6 tất ẩn, ngoại trừ ẩn continuity 10-4 ẩn khó hội tụ 2.5 Chạy mơ Bài tốn chạy mơ với 1000 vịng lặp Kết lịch sử hội tụ hình bên Hình 25: Kết cấu cánh hồn chỉnh Hình vẽ cánh hoàn chỉnh xuất sang ANSYS Mechanical để mô kết cấu Mô kết cấu ANSYS Mechanical 4.1 Nhập mơ hình kết cấu vào ANSYS Mechanical Mơ hình cánh hồn chỉnh nhập vào module ANSYS Mechanical xử lý môi trường DesignModeler 4.2 Chia lưới Sau xử lý mặt hình học Mơ hình chia lưới tự động ANSYS Phần tử lưới chia có kích thước từ 3-8 mm tùy khu vực Khu vực cánh chia mịn để q trình tải lực khí động cho kết phân bố lực tốt Kết chia lưới mơ hình cánh minh họa hình đây: Hình 26: Lưới chia khu vực bề mặt cánh 19 Hình 27: Lưới chia khu vực kết cấu bên 4.3 Tải lực khí động lên bề mặt cánh Sau lưới chia, tải khí động đặt lên bề mặt cánh Tương ứng với bề mặt cánh mô kết cấu bề mặt “WING” cánh mơ khí động Kết tải lực lên bề mặt cánh hình Có thể thấy áp suất tải đặt lên có tương đồng với áp suất khí động mơ phần Hình 28: Áp suất khí động sau tải lên bề mặt cánh 4.4 Đặt điều kiện biên Các điều kiện biên đặt bao gồm vị trí ngàm lực trọng trường Đối với liên kết ngàm, khu vực ngàm bao gồm mặt nằm gốc cánh mặt nằm trục liên kết thân cánh 20 Hình 29: Vị trí đặt liên kết ngàm (màu xanh) Đối với lực trọng trường, gia tốc trọng trường đặt có độ lớn 9806.6mm/s2, phương vng góc với bề mặt cánh, chiều ngược với trục Y Gia tốc trọng trường đặt để xét đến ảnh hưởng trọng lực đến ứng suất cánh 4.5 Chọn vật liệu Kết cấu cánh gắn vật liệu để mô Nhóm sử dụng vật liệu đẳng hướng cho kết cấu Các vật liệu thông dụng cho UAV thường sử dụng thép, hợp kim nhôm, gỗ Đối với thép nhôm, sở liệu ANSYS có sẵn Cịn gỗ balsa, ANSYS chưa có loại vật liệu nên nhóm tạo thông số vật liệu cho gỗ balsa mục “Engineering Data” Các thông số gỗ balsa cho bảng đây: Thông số Khối lượng riêng (kg/m3) Young’s Module (MPa) Hệ số Poisson Tensile Yield Strength (MPa) Compressive Yield Strength (MPa) Tensile Ultimate Strength (MPa) Compressive Ultimate Strength (MPa) Giá trị 200 568.56 0.38 13.8 13.9 14 Bảng 5: Thông số vật liệu gỗ Balsa Vật liệu lựa chọn cho chi tiết: Chi tiết Vỏ Spar Φ20 (1) Spar Φ20 (2) Spar Φ12 (1) Spar Φ12 (2) Spar Φ10 (1) Vật liệu Balsa Thép Thép Thép Thép Thép 21 Khối lượng (kg) 1.080 2.406 1.864 1.480 0.888 0.126 Spar Φ10 (2) Thép Spar Φ10 (3) Thép Spar Φ8 Thép Rib 1-6 Nhôm Rib Nhôm Rib Nhôm Rib Nhôm Rib 10 Nhôm Tổng khối lượng (kg) 0.122 0.122 0.178 0.238 0.173 0.118 0.073 0.035 10.093 Bảng 6: Vật liệu khối lượng chi tiết cánh 4.6 Tính ứng suất, biến dạng chuyển vị Các giá trị tính tốn bao gồm Equivalent Stress, Total Deformation Equivalent Elastic Strain Kết tính thơng số kết cấu thể hình đây: Hình 30: Chuyển vị cánh 22 Hình 31: Biến dạng cánh (Equivalent Von-mises Strain) 23 Hình 32: Ứng suất cánh (Equivalent Von-mises Stress) Các giá trị lớn nhất: Equivalent Stress (MPa) Equivalent Elastic Strain (mm/mm) Total Deformation (mm) 509.32 0.014082 241.42 Bảng 7: Các giá trị ứng suất, chuyển vị biến dạng lớn Giá trị ứng suất lớn nằm vị trí đầu rib leading edge 24 Hình 33: Vị trí ứng suất lớn nằm đầu mũi rib nhỏ (rib 10) Hình 34: Biến dạng lớn nằm vị trí đầu rib 4.7 Kiểm bền kết cấu Kết cấu kiểm bền thông qua hệ số an toàn Hệ số an toàn tiêu chí đánh giá áp dụng cho vật liệu đẳng hướng dựa việc so sánh ứng suất lớn kết cấu ứng suất tối đa mà kết cấu chịu Kết cấu đánh giá theo tiêu chí hệ số an tồn coi bền giá trị vị trí lớn Trong hệ số an tồn, ứng suất tới hạn, Equivalent Von-Mises điểm xét ứng suất Áp dụng tính hệ số an tồn cho kết cấu cánh, kết minh họa hình bên dưới: 25 Hình 35: Kết tính hệ số an tồn kết cấu Như vậy, có số vị trí mà hệ số an tồn thấp Các vị trí nằm đầu mũi rib 10 xà ϕ20 vị trí gốc cánh Hình 36: Vị trí hệ số an toàn thấp nằm rib 10 (0.54975) 26 Hình 37: Vị trí hệ số an tồn thấp vị trí thành xà gốc cánh Vậy, kết cấu mà nhóm thiết kế chưa đủ bền vị trí xung yếu đầu mũi khung sườn (vị trí áp suất lớn nhất), vị trí xà gần khu vực bị ngàm (vị trí chịu moment uốn lớn nhất) Dựa vào kết trên, nhóm tiến hành thiết kế tối ưu lại cánh để đảm bảo đủ bền Thiết kế tối ưu hóa kết cấu cánh 5.1 Thiết kế tăng cường kết cấu cánh Như vậy, từ kết phần thấy số khu vực xung yếu cánh không đủ bền Để giải vấn đề đó, nhóm bổ sung thêm số sườn vị trí đầu gốc cánh (vị trí ngàm) khu vực cánh hình thang với khoảng cách gần Với xà ϕ20, nhóm thay đổi thành xà đường kính ϕ25 Với thiết kế vậy, tổng khối lượng toàn kết cấu tăng đến khoảng 13 kg, chủ yếu ống thép ϕ25 Kết cấu cánh sau thay đổi biểu diễn hình đây: Hình 38: Kết cấu cánh (vỏ bao bên ngồi) 27 Hình 39: Kết cấu cánh 28 5.2 Mơ tính hệ số an tồn Mơ hình cánh mơ với bước tương tự trình bày phần Các thông số ứng suất, chuyển vị, biến dạng sau Equivalent Stress (MPa) Equivalent Elastic Strain (mm/mm) Total Deformation (mm) 260.02 0.00676 110.87 Bảng 8: Giá trị ứng suất, chuyển vị biến dạng lớn kết cấu cánh Có thể thấy, giá trị lớn giảm nửa Hình 40: Tổng chuyển vị cánh Trong đó, hệ số an tồn đạt giá trị lớn 1, đặc biệt vị trí xung yếu phần trước Hình 41: Hệ số an tồn nhỏ kết cấu lớn vị trí 29 Hình 42: Hệ số an tồn khu vực xung yếu Như vậy, kết cấu cánh đảm bảo đủ bền Tuy nhiên khối lượng cánh lớn Tổng lực nâng cánh tương đương khối lượng 35 kg Với khối lượng 13 kg tại, máy bay khoảng 22 kg để thiết kế kết cấu thân, lắp đặt thiết bị điện – điện tử mang thêm tải khác Để mang nhiều khối lượng lớn hơn, nhóm sử dụng thêm vật liệu composite số chi tiết để giảm khối lượng máy bay 5.3 Tối ưu hóa khối lượng Vật liệu chế tạo chi tiết chọn lại để giảm khối lượng cánh Theo đó, xà đặt nhôm, sườn đặt vật liệu Epoxy Carbon UD (230 GPa) Prepreg, vỏ đặt gỗ balsa Khi tổng khối lượng cánh kg 30 Hình 43: Tổng khối lượng cánh sau thay đổi vật liệu Sau đó, kết cấu cánh đưa vào mô với bước tương tự làm Tuy nhiên, để kiểm bền, hệ số an toàn áp dụng cho kết cấu sử dụng vật liệu đẳng hướng, tiêu chí Damage Status áp dụng để đánh giá vật liệu carbon Tiêu chí đánh giá trả kết giá trị: – không bị phá hủy – phá hủy phần – phá hủy hoàn toàn Như vậy, thiết kế cần đạt giá trị nhỏ để kết cấu đủ bền Sau mô phỏng, kết ứng suất, chuyển vị biến dạng lớn sau: Equivalent Stress (MPa) Equivalent Elastic Strain (mm/mm) Total Deformation (mm) 173.41 0.012184 371.88 Bảng 9: Ứng suất, chuyển vị, biến dạng lớn kết cấu sử dụng vật liệu composite Ứng suất giảm xuống đáng kể, nhiên đổi lại, chuyển vị cánh lớn so với vật liệu đẳng hướng, đạt 371.88 mm Kết hệ số an toàn giá trị damage status: Hình 44: Hệ số an tồn cánh 31 Hình 45: Hệ số an tồn xà gốc cánh Hình 46: Giá trị damage status khu vực khung sườn Có thể thấy, hệ số an toàn với vật liệu đẳng hướng đạt tối thiểu 1.6147, tức vật liệu đủ bền Trong đó, tất rib có giá trị damage status trả Vậy kết cấu rib đủ bền Như vậy, kết cấu tối ưu hóa khơng giúp kết cấu đủ bền vị trí xung yếu mà làm giảm khối lượng đáng kể kết cấu cánh Nhờ vậy, máy bay có dư khoảng 30 kg để thiết kế phận khác mang thêm tải cần thiết cho máy bay 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO Egbert Torenbeek - ADVANCED AIRCRAFT DESIGN - CONCEPTUAL DESIGN, ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF SUBSONIC CIVIL AIRPLANES Mohammad H Sadraey - AIRCRAFT DESIGN - A Systems Engineering Approach, chapter 5: WING DESIGN Egbert Torenbeek - ADVANCED AIRCRAFT DESIGN - CONCEPTUAL DESIGN, ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF SUBSONIC CIVIL AIRPLANES 1999 Thiết kế máy bay dân dụng - Civil aircraft jet design, Lloyd R Jenkinson, Paul Simpkin, Darren Rhodes “DESIGN OF HIGH ALTITUDE LONG ENDURANCE UAV: STRUCTURAL ANALYSIS OF COMPOSITE WING USING FINITE ELEMENT METHOD”, Khodijah Kholish Rumayshah et al 2018 J Phys.: Conf Ser 1005 012025 NMG BalCore™ Balsa Wood Block Density 220 kg/m3, MATWEB, http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx? MatGUID=55eb0f1985a043c185fa834aafc8c5f5&ckck=1 Balsa, MakeItFrom, https://www.makeitfrom.com/material-properties/Balsa 33 ... lớn Trong hệ số an tồn, ứng suất tới hạn, Equivalent Von-Mises điểm xét ứng suất Áp dụng tính hệ số an tồn cho kết cấu cánh, kết minh họa hình bên dưới: 25 Hình 35: Kết tính hệ số an tồn kết cấu. .. qua hệ số an toàn Hệ số an toàn tiêu chí đánh giá áp dụng cho vật liệu đẳng hướng dựa việc so sánh ứng suất lớn kết cấu ứng suất tối đa mà kết cấu chịu Kết cấu đánh giá theo tiêu chí hệ số an... 4.6 Tính ứng suất, biến dạng chuyển vị 22 4.7 Kiểm bền kết cấu 24 Thiết kế tối ưu hóa kết cấu cánh 26 5.1 Thiết kế tăng cường kết cấu cánh 26 5.2 Mơ tính hệ số