2. Kết cấu thân
2.1. Lựa chọn kết cấu thân
2.2. Phân tích lực tác động lên thân ... 107
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 98
Chương VI: THIẾT KẾ KẾT CẤU
Khi thiết kế một máy bay thì một trong những yêu cầu được ưu tiên hàng đầu đó chính là tối ưu tỉ lệ giữa khối lượng và tải trọng. Yếu tố cần đảm bảo ở đây đó chính là kết cấu của nó có thể đủ bền để có thể chịu được những tác động trong các tình huống hoạt động khác nhau của máy bay. Vì vậy trong quá trình thiết kế khối lượng và độ bền là những yếu tố vô vùng quan trọng.
Thiết kế kết cấu chịu ảnh hưởng cảu hình dạng khí động bên ngoài của máy bay nhất là những mặt cắt trên cánh và đuôi. Thông thường thiết kế máy bay nói chung cũng như WIG nói riêng ta sẽ sứ dụng các cấu trúc dầm chịu lực và khung liền khối (monocoque) hoặc bán liền khối (semi-monocoque) để lớp bề mặt (skin) cũng chịu được một phần ứng suất. Trong thiết kế WIG thì nhóm sử dụng phần lớn các kết cấu rỗng và có dạng khung dầm.
1. Kết cấu cánh
1.1. Lựa chọn kết cấu cánh
Như những máy bay thông thường khác kết cấu cánh của WIG sẽ được thiết kế sử dụng các mặt căt dạng khí động để làm các gân dọc (rib) và các thanh dầm chống uốn đặt dọc theo chiều dài sải cánh. Hình bên dưới mô tả kết cấu cho cánh.
Hình VI.4. Kết cấu cánh
Do đặc tính phân bố tải nên bên trong phần gốc cánh các thanh rib sẽ được phân bố dày hơn để đảm bảo chịu được tải trọng lớn hơn. Phía trên cánh, phần cạnh trước ta sẽ lắp đặt thùng nhiên liệu. Lắp đặt thùng nhiên liệu trên cánh sẽ đảm bảo tính an toàn cao hơn đồng thời tận dụng được không gian rỗng bên trong.
Đối với các thanh dầm (spar) ta sẽ phân bố khoảng 3 thanh thay vì 2 như trên hình minh họa vì cung cánh khá là lớn.
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 99
Đối với cánh phụ thì ta cũng thực hiện kết cấu tương tự. Cơ cấu điều khiển cánh phụ thì áp dụng tương tự như airleron. Trục quay của cánh phụ sẽ đặt trên trục phân bố của tâm áp suất dọc theo cánh.
Để bọc cánh nếu sử dụng vỏ nhôm thì sẽ rất dễ bị ăn mòn và rất dễ vô nước. Còn nếu dùng composite thì sẽ có chi phí cao (nếu dùng sợi cacbon), nặng nề (nếu dùng sợi thủy tinh). Vậy nên ta chọn phương án bọc lớp nhôm mỏng và phủ lớp sợi bọc bên ngoài để tăng cơ tính và chống thấm nước hiệu quả hơn.
Hình VI.5. Lớp vỏ bọc cánh
Tương tự đối với cánh chính, các đuôi ngang và đuôi đứng cũng sẽ được chế tạo với cùng dạng kết cấu tương tự.
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 100
Hình VI.7. Kết cấu cho đuôi ngang 1.2. Phân bố lực nâng tác động lên cánh
Do ảnh hưởng của xoáy ngoài mũi cánh nên phân bố áp suất trên cánh không giống nhau ở gốc cánh và mũi cánh. Vì vậy lực nâng phân bố dọc theo chiều dài sải cánh cũng không giống nhau.
Hình VI.8. Phân bố lực nâng trên cánh
Ta xem như phân bố của lực nâng trên cánh có dạng elip với quy luật phân bố như sau:
( ) = −
Hình VI.9. Phân bố lực nâng tương đương dạng elip
Ta tích phân phân bố trên để tính lực nâng như sau:
= 2 − =
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 101
Định nghĩa hệ số tải n là tỉ số giữa lực nâng trên cánh và tổng khối lượng của thuyền bay:
= (2)
Từ (1) và (2) ta rút ra được:
=2 Vậy ta có phân bố lực nâng trên cánh sẽ là:
( ) =2 −
Với thiết kế sơ bộ ta có = 1080 , cánh cho mỗi bên có sãi là 5 m và cung cánh là 3m. Ta có tải trọng phân bố ứng với hệ số tải bằng n=1 trong điều kiện bay bằng là:
( ) = 269.8 25 − Chia cánh làm 11 điểm khi đó tải trọng phân bố như hình:
Hình VI.10. Phân bố lực trên cánh 1.3. Phân bố trọng lượng kết cấu và trọng lượng nhiên liệu
Ngoài lực nâng khí động thì tải trọng mà cánh phải chịu còn có lực do chính khối lượng của cánh gây ra. Cánh của thuyền bay có dạng hình chữ nhật, ta chọn kết cấu phân bố đều khi đó trọng lượng cũng phân bố đều trên cánh.
Hình VI.11. Mô hình phân bố trọng lượng trên cánh
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 1 2 3 4 5 6 Lực p hân bố (N/m ) Vị trí theo sải cánh (m)
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 102
Tham khảo một số máy bay thương mại cỡ nhỏ trong bảng sau:
Hình VI.12. Khối lượng máy bay và các bộ phận
Ta thấy khối lượng của cánh vào khoảng 5 lần khối lượng rỗng của toàn bộ máy bay. Do đó ta có thể ước tính khối lượng cánh của WIG vào khoảng 150 kg.
Như vậy ta có tải trọng phân bố đều = 147 / . Đối với nhiên liệu ta có:
= 0.0844 ⇒ = 92
Phân bố nhiên liệu trên cánh như mô tả trong hình bên dưới. Đối với mỗi bên cánh thì một nữa cánh tính từ thân sẽ dùng để chứa nhiên liệu.
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 103
Vậy ta có tải trọng trên cánh do nhiên liệu gây ra là = 360 / .
1.4. Tổng hợp tải trọng tác dụng lên cánh
Từ các tải trọng tác dụng như đã phân tích ở trên ta có tổng hợp tải trọng tác dụng lên cánh bằng các lực trên.
Lực phân bố
( ) = + + = −269.8 25 − + 507 ế 0 < < 2.5 −269.8 25 − + 147 ế 5 > > 2.5
Hình VI.13. Phân bố lực lên cánh
Lực cắt trên cánh sẽ được tính như sau:
= ≈ × Δ
Do dùng công thức gần đúng nên để chính xác ta tăng số điểm chia. Kết quả tính toán trên Excel cho ta đồ thị lực cắt như hình bên dưới.
-1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 0 1 2 3 4 5 6 Lực p hân b ố (N/m ) Vị trí trên cánh (m)
Phân bố tải trọng kết cấu Phân bố lực nâng
Phân bố tải trọng nhiên liệu Phân bố tải tổng cộng
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 104
Hình VI.14. Đồ thị phân bố lực cắt
Do lực cắt là một tích phân nên mặc dù lực phân bố bị gãy khúc đột ngột, đồ thị của lực cắt biến thiên độ dốc không lớn. Vì vậy kết cấu cánh của WIG chỉ cần thiết kế tương đối đồng đều làm đảm bảo. Lực cắt lớn nhất xảy ra tại gốc cánh có giá trị là 6375 N.
Tương tự với moment uốn. Moment uốn là tích phân lực cắt dọc theo chiều sải cánh
= ≈ × Δ
Phân bố lực theo kết quả tính toán trên Excel cho ta đồ thị sau:
-7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 0 1 2 3 4 5 6 Lực cắt (N) Vị trí tương ứng trên cánh (m)
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 105
Hình VI.15. Moment tác dụng lên cánh
Moment cũng phân bố biến đổi tương đối đều và đạt giá trị cực đại tại gốc cánh là 14036 Nm.
2. Kết cấu thân
Thân phải chịu tải và các bộ phận khác của máy bay đều kết nối với thân máy bay. Do đó nó phải chịu nhiều dạng tải trọng khác nhau. Moment uốn gây ra bởi trọng lượng và lực nâng từ đuôi, Moment xoắn do bánh lái hướng (rudder)…Độ cứng và độ bền của thân phải đủ cao để chịu được những tải trọng đó. Song song với đó kết cấu phải đảm bảo hợp lý về mặt khối lượng.
Thân của WIG có dạng thân thuyền nên tải trọng lúc chuyển động một phần chìm trong nước sẽ phân bố trên đáy thuyền. Còn lúc WIG hoạt động tách khỏi mặt nước thì cánh là bộ phận tạo lực nâng chính do đó liên kết cánh thân cũng là một phần kết cấu quan trọng.
2.1. Lựa chọn kết cấu thân
Có nhiều kết cấu thân khác nhau phục vụ cho việc thiết kế máy bay. Bao gồm kết cấu khung dàn, kết cấu khung liền khối và kiểu kết cấu kết hợp giữa các loại kết cấu trên.
- Kết cấu khung dàn: Kết cấu này sử dụng các ồng thép hàn lại với nhau để tạo ra mọt
bộ khung chịu lực cho máy bay. Hiện nay cấu trúc này vẫn còn được dùng trong một số loại máy bay hạng nhẹ và các mẫu máy bay chế tạo nghiệp dư tại nhà. Ưu điểm của cấu trúc này là đơn giản, dễ chế tạo tuy nhiên độ bền riêng không cao chưa tận dụng hết khả năng của vật liệu để tăng độ bền.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 0 1 2 3 4 5 6 Mo m ent u ố n (Nm ) Vị trí trên cánh (m)
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 106
Hình VI.16. Kết cấu dạng khung
- Kết cấu khung liền khối với thân: Kết cấu này kết hợp luôn bộ khung và hình dạng
bề mặt ngoài của máy bay, sử dụng các thanh dằng và chúng gắn vào nhau bằng đinh tán ( river) . Hiện nay hầu hết máy bay đề sử dụng cấu trúc này. Mặc dù thiết kế chế tạo phức tạp tuy nhiên nó tận dụng sức bền vật liệu tốt, tăng được diện tích khoang máy bay.
Chương VI: Thiết kế kết cấu THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 107
- Cấu trúc kết hợp sẽ kết hợp các kiểu trên để lợi dụng ưu điểm và hạn chế nhược
điểm của mõi phương pháp.
Hình VI.18. Kết cấu kết hợp
Trong thiết kế này nhóm chọn kết cấu dạng khung liền khối (monocoque hoặc semi- monoconque).