Hiện nay thiết bị bay không người lái UAV ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, cho cả mục đích quân sự và dân sự. UAVs có thể được dùng để theo dõi, tuần tiễu, trinh sát, dập lửa v.v... Đặc trưng chung của loại thiết bị bay này là vận tốc nhỏ và thời gian bay trên không rất dài, có thể tính bằng ngày. Hơn nữa để hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau thì độ bền của UAV cũng rất quan trọng, do đó việc kiểm nghiệm bền của UAV là điều bắt buộc và cần thiết. UAV có nhiều bộ phận, nhóm chọn cánh máy bay để kiểm nghiệm tính toán Do cánh là bộ phận tạo lực nâng trực tiếp cho máy bay nên nó sẽ chịu momen, lực cắt,.. lớn tác động vào. Hơn nữa cánh cũng là nơi tiếp xúc trực tiếp với dòng khí khi UAV bay, nên nó cũng chịu những yếu tố của dòng khí,… Thiết kế kết cấu cánh là việc đầu tiên, tiên quyết để chế tạo cũng như kiểm nghiệm cánh UAV, việc thiết kế với bao nhiêu thanh xà, rib, spar,… ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tính toán bền. Các phương án sử dụng các vật liệu khác nhau được nhóm đưa ra để kiểm nghiệm bền bởi các vật liệu khác nhau như gỗ hay hợp kim nhôm. Từ những vật liệu khác nhau cho các bộ phận ta có thể thấy được sự bền thông qua các vật liệu khi chế tạo cánh UAV.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ─────── * ─────── ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU MÁY BAY THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ KIỂM BỀN CÁNH UAV Sinh viên Nguyễn Quang Huy Hồng Trọng Nghĩa Nguyễn Đức Chí Thành MSSV 20151684 20162650 20153390 Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Đình Quý Hà Nội 6/2019 MỤC LỤC TÓM TẮT MỞ ĐẦU ĐẶT BÀI TOÁN 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.2 Mô kết cấu cánh UAV TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN CÁNH Xây dựng mơ hình hình học: .6 Chia lưới .9 Cài đặt thông số vật lý điều kiện biên 11 Chạy mô 12 Đánh giá kết .13 THIẾT KẾ KẾT CẤU CÁNH 18 4.1 Thiết kế kết cấu cánh 18 4.2 Thiết kế chi tiết: 18 4.3 Thiết kế vỏ cánh: 24 4.4 Lắp ghép chi tiết: 24 MÔ PHỎNG KIỂM BỀN .25 5.1 Chọn vật liệu (Engineering Data) .25 5.2 Hình học (Geometry) 26 5.3 Chia lưới 26 5.4 Điều kiện biên 28 5.5 Tính tốn (các trường hợp vật liệu) 30 KẾT LUẬN 35 TÓM TẮT Báo cáo nghiên cứu khả chịu tải trọng cánh máy bay UAV dạng thẳng trình hoạt động Nghiên cứu khí động tác động lên cánh áp suất lực khí động, thiết kế kết cấu cánh từ kiểm nghiệm bền cánh đưa kết luận, đánh giá MỞ ĐẦU Hiện thiết bị bay không người lái UAV ngày sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, cho mục đích quân dân UAVs dùng để theo dõi, tuần tiễu, trinh sát, dập lửa v.v Đặc trưng chung loại thiết bị bay vận tốc nhỏ thời gian bay khơng dài, tính ngày Hơn để hoạt động nhiều chế độ khác độ bền UAV quan trọng, việc kiểm nghiệm bền UAV điều bắt buộc cần thiết UAV có nhiều phận, nhóm chọn cánh máy bay để kiểm nghiệm tính tốn Do cánh phận tạo lực nâng trực tiếp cho máy bay nên chịu momen, lực cắt, lớn tác động vào Hơn cánh nơi tiếp xúc trực tiếp với dòng khí UAV bay, nên chịu yếu tố dịng khí,… Thiết kế kết cấu cánh việc đầu tiên, tiên để chế tạo kiểm nghiệm cánh UAV, việc thiết kế với xà, rib, spar,… ảnh hưởng nhiều đến trình tính tốn bền Các phương án sử dụng vật liệu khác nhóm đưa để kiểm nghiệm bền vật liệu khác gỗ hay hợp kim nhôm Từ vật liệu khác cho phận ta thấy bền thông qua vật liệu chế tạo cánh UAV ĐẶT BÀI TOÁN 2.1 Cơ sở lý thuyết Khí động: Cánh UAV bay có lực nâng Kết cấu: cánh UAV thực chất cấu tạo dầm vật liệu khác nhau, điều kiện hoạt động chúng chịu lực phân bố, tập trung lực cắt, trọng lực, lực khí động tác dụng lên, xuất momen uốn, cắt, xoắn… Những momen tuân theo công thức vật lý học tính dịng lực cắt, tính momen, chuyển vị, ứng suất… 2.2 Mơ kết cấu cánh UAV 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 Đối tượng nghiên cứu cánh UAV có profile EPPLER 212, cánh thẳng, sải cánh 6m, góc đặt cánh độ (Hình 1) Ta nghiên cứu cánh cánh chịu tác động lực cánh máy bay Kết cấu chịu lực cánh mô chi tiết để đảm bảo việc tính tốn kiểm nghiệm kết cấu Các phận cánh vỏ hay xà, spar, stringers, xà dọc, xà ngang, làm gỗ hợp kim nhôm Các thơng số, liệu tính tốn tải trọng: - Sải cánh: m - Vân tốc bay: 25 m/s - Mật độ khơng khí: 1,225 kg/m3 - Diện tích cánh: 2172464.65/2 TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN 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 Xây dựng mơ hình hình học: Mơ hình xây dựng cách lấy tọa độ quỹ tích điểm airfoil có profile EPPLER 212 Từ áp vào phần mềm SOLIDWORKS Các tọa độ profile tính tốn hợp lý chỉnh cho với kích thước cánh cho trước Mơ khí động chưa cần thiết đến cấu trúc bên cánh nên ta cần cánh khối đặc (Hình) Mơ hình cánh nhìn tổng quan Mơ hình cánh nhìn theo trục y Mơ hình cánh theo trục x Sau xây dựng xong mơ hình hình học Soildwork nhóm imports cánh vẽ vào Geometry phần mềm Ansys 18.2 Trong module Geometry nhóm sử lý môi 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 3: Mơ hình cánh DesignModeler Hình 4: Mơ hình hình học mô cánh Chia lưới Từ design sẵn có ta tiến hành chia lưới, để đạt kết chất lượng tốt xác nhóm dung phần mềm chia lưới module ICEM Hình 5: Lưới có cấu trúc chia ICEM Hình 6: Lưới bề mặt cánh Thông số lưới: NODES 2,780,127 QUADS 147,726 HEXA 2,705,903 Chất lượng lưới theo tiêu chí determinant 2x2x2 Hình 7: 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 8: Các mặt đặt tên Cài đặt thông số vật lý điều kiện biên Phương pháp giải mơ hình phương pháp dựa áp suất (pressure-based) dòng 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 thơng số: Khối lượng riêng Độ nhớt động học 1.225 kg/m3 1.7894e-5 kg/ms Điều kiện biên đặt theo bảng đây: Mặt INLET OUTLET WING Loại biên Velocity-inlet Pressure-outlet Wall 10 Điều kiện 25 m/s Pa No slip wall ¼ dây cung 10mm 22 4.3 Thiết kế vỏ cánh: Vỏ cánh thiết kế với độ dày 3mm Vỏ thiết kế cho vừa khít với kết cấu khung Chi tiết vỏ cánh 4.4 Lắp ghép chi tiết: 23 Từ kết cấu hồn chỉnh nhóm tiến hành lắp ghép tạo thành kết cấu hoàn chỉnh Từ kết cấu bên hồn chỉnh nhóm lắp vỏ vào để hồn chỉnh cánh Hình vẽ xuất sang modul ANSYS Mechanical xử lý mơi trường DesignModeler MƠ PHỎNG KIỂM BỀN Nhóm dùng modul Static Structural có tích hợp sẵn Ansys để mô kiểm bền 5.1 Chọn vật liệu (Engineering Data) 24 Nhóm sử dụng chủ yếu hai vật liệu gỗ hợp kim nhôm Ta thay đổi hai vật liệu vào vỏ cánh, xà, rib,… để tiến hành so sánh kiểm nghiệm bền với vật liệu khác Các thông số vật liệu gỗ hợp kim nhôm hiển thị chi tiết bảng sau: Vật liệu Density Isotropic Elasticity Young’modulus Poisson’s Ratio Bulk Modulus Shear Modulus Altemating Stress R-Ratio Tensile Yield Strength Compressive Yield Strength Tensile Ultimate Strength Compressive Ultimate Strength Gỗ Balsa 2770 Hợp kim nhôm 220 Đơn vị Kg m^-3 7.1E+10 0.33 6.6908E+10 2.6692E+10 5.6856E+08 0.38 7.8967E+08 2.06E+08 Pa Pa Pa Pa 2.8E+0.8 2.8E+0.8 1.38E+07 1.39E+07 1.4E+07 Pa Pa Pa Pa 5.2 Hình học (Geometry) Từ hình học xây dựng chi tiết, hoàn chỉnh phần 4, nhóm thực import vào Geometry module Static Structural, thực chỉnh sửa Design Modeler Ảnh Import vào Design Modeler 25 5.3 Chia lưới Nhóm thực chia lưới hai phận bề mặt kết cấu bên nhóm thiết kế hai phận vỏ kết cấu riêng biệt ghép vào Chia lưới bề mặt cánh Chia lưới kết cấu bên Ảnh chia lưới kết cấu bên 26 Vị trí lưới sau phóng to Vị trí lưới sau phóng to 5.4 Điều kiện biên Áp tải: Áp tải khí động thực mô bước mô khí động tác động lên cánh nhóm kết 27 Từ tải khí động ta xác định lực theo phương: o X-Component: 9.3914 N o Y-Component: 343.21 N o Z-Component: 1.1901 N Đặt trọng lực: Nhóm đặt vào tâm cánh Đặt ngàm: Nhóm đặt ngàm vào đầu có rib thiết diện lớn vị trí nối với thân UAV 28 5.5 Tính tốn (các trường hợp vật liệu) Tính kết cấu bỏ qua trọng lực: tất gỗ, Al Tính đến trọng lực: tất gỗ, thay spar thành nhôm, thay spar rib thành nhôm Chuyển vị, ứng suất, biến dạng, hệ số an toàn 5.5.1 Mô sơ (bỏ qua trọng lực) - Dùng vật liệu gỗ: Chuyển vị cánh 29 Vị trí chịu biến dạng lớn nhỏ Dùng vật liệu gỗ không cho kết tốt, chuyển vị sinh lớn, áp dụng cho kết cấu cánh - Dùng vật liệu hợp kim Nhơm: Chuyển vị cánh 30 Vị trí chịu biến dạng lớn Gốc cánh chịu ứng suất, biến dạng lớn Vị trí có hệ số an tồn thấp đuôi cánh 31 Vật liệu Nhôm cho chuyển vị (227mm tương đương 7.56 % độ dài) Ứng suất biến dạng đuôi cánh lớn, nhiên đảm bảo hệ số an toàn cho hầu hết phận kết cấu 5.5.2 Tính tốn chi tiết Nhóm tính chi tiết tải lên cánh có trọng lực để xác định tải thật lên cánh, thay dần vật liệu Nhôm vào kết cấu kiểm bền 5.5.2.1 Thanh spar nhôm, rib gỗ - Khối lượng kết cấu: 4.77 kg Bộ phận Wing Spar Rib - Chuyển vị: Vật liệu Gỗ Nhơm Gỗ - Vị trí biến dạng ứng suất lớn 32 Khối lượng (kg) 1.4451 3.16 1.67 Hệ số an toàn: gốc cánh đạt hệ số an toàn cho phép với vật liệu, khu vực có hệ số an tồn thấp đuôi cánh: 5.5.2.2 Spar Nhôm, Rib Nhôm 33 Khối lượng kết cấu: 9.87 kg Bộ phận Wing Spar Rib - Chuyển vị: Vật liệu Gỗ Nhôm Nhôm Khối lượng (kg) 1.4451 3.16 5.26 - Vị trí ứng suất, biến dạng lớn nhỏ 34 Ứng suất lớn cánh - Hệ số an tồn: 35 v KẾT LUẬN Việc dùng vật liệu khác ảnh hưởng nhiều đến kiểm bền kết cấu cánh Với thơng số cánh cho, nhóm đưa kết luận dùng spar ngang nhôm, dọc rib nhôm cho kết cấu vững dùng gỗ Tuy nhiên khối lượng cánh tăng lên gần gấp đơi Với tải khí động khoảng 35 kg phù hợp với khối lượng cánh với kết cấu nhôm 10kg 36 ... công thức vật lý học tính dịng lực cắt, tính momen, chuyển vị, ứng suất… 2.2 Mô kết cấu cánh UAV Thiết kế kiểm bền kết cấu cánh UAV với cấu hình thơng số sau: Hình 1: Kích thước cấu hình cánh Profile... cánh máy bay Kết cấu chịu lực cánh mô chi tiết để đảm bảo việc tính tốn kiểm nghiệm kết cấu Các phận cánh vỏ hay xà, spar, stringers, xà dọc, xà ngang, làm gỗ hợp kim nhôm Các thông số, liệu tính. .. 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