D được biến đổi sang hệ tọa độ tổng thể bằng phép biến đổi:
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Cánh là một sản phẩm công nghiệp thỏa mãn tiêu chí về chất lượng khí động với chức năng chính là tạo lực nâng. Yêu cầu về khí động làm cho cánh có hình dạng mỏng dẹt, nhưng lại phải chịu tải rất lớn, nâng toàn bộ trọng lượng của máy bay trên đơi cánh. Do đó khi làm việc, cánh bị biến dạng là điều khơng thể tránh khỏi. Việc nâng cao tính đàn hồi cho cánh được thực hiện bằng các biện pháp kết cấu bên trong cánh và các giải pháp vật liệu. Tuy nhiên, do tính đặc thù của cánh về mặt khí động, sự thay đổi hình dạng do biến dạng dù là nằm trong giới hạn đàn hồi, cũng có thể gây tác động trở lại đối với lực khí động. Vì vậy có thể thấy, cánh địi hỏi rất cao về phương diện khí động, nhưng cũng yêu cầu rất cao cả về phương diện kết cấu.
Hai bài tốn về khí động và biến dạng đàn hồi thuộc hai lĩnh vực khoa học rất khác nhau của cơ học chất lỏng và cơ học vật rắn biến dạng. Sự khác nhau này xuất phát từ phương trình vi phân mơ tả hiện tượng cũng như phương pháp số để giải bài tốn. Tuy nhiên, nếu tính tốn chun sâu được cả hai loại bài toán trong một đối tượng cánh, người nghiên cứu sẽ chủ động trong việc thay đổi các tham biến khí động cũng như các tham biến kết cấu, nhằm lựa chọn phương án tối ưu dung hòa được các tiêu chí, phù hợp với khả năng cơng nghệ và kinh tế hiện có.
Trong thực tế nghiên cứu nói chung, một tính tốn chun sâu về kết cấu thường xét lực khí động như một đại lượng đã biết. Như vậy, mỗi thay đổi của lực khí động liên quan đến vận tốc, hướng tới của vận tốc và hình dạng cánh, người nghiên cứu có khó khăn trong việc tính tốn cũng như thẩm định độ chính xác về sự thay đổi của lực khí động. Cũng như vậy, một tính tốn chun sâu về khí động thường xét ảnh hưởng của kết cấu theo các mơ hình đơn giản của dầm chính (1D) hoặc mơ hình tấm của mặt nâng (2D). Vì vậy, các hiệu ứng 3D của một bài tốn thực tế khơng được xét đến.
Luận án về tính tốn số lực khí động cánh 3D xét đến hiệu ứng đàn hồi ở đây nhấn
mạnh phần nghiên cứu chính là tính tốn lực khí động trên cơ sở triển khai một phương pháp số và một quy trình thực nghiệm xác định áp lực khí động trên cánh 3D. Một phương pháp số để tính tốn biến dạng đàn hồi cánh theo mơ hình 3D cũng được triển khai nhằm để xét ảnh hưởng của hiệu ứng đàn hồi. Vì vậy, luận án khơng chỉ nhằm giải quyết bài tốn khí động - đàn hồi tĩnh liên quan đến việc xác định vận tốc xoắn phá hủy cánh, mà luận án hướng tới việc giải chuyên sâu cả bài tốn khí động cánh và bài tốn biến dạng đàn hồi cánh. Trên cơ sở đó, thực hiện tính tốn liên kết khí động - đàn hồi theo mơ hình 3D, và mơ hình số bán giải tích xác định vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh. Luận án đã thực hiện 5 bài toán cơ bản sau:
1. Xây dựng chương trình tính tốn lực khí động cánh 3D bằng phương pháp lưỡng cực - nguồn phân bố. Tính tốn được thực hiện với dịng dừng và dịng khơng dừng do thay đổi vận tốc đột ngột nhằm khảo sát quá trình quá độ thiết lập giá trị bình ổn của lưu số và lực nâng do ảnh hưởng của vết khí động. Phạm vi ứng dụng của chương trình khí động này là cánh có chiều dày hữu hạn, chiều dài sải hữu hạn, mặt chiếu bằng cánh là hình chữ nhật hoặc hình thang có góc vuốt trung bình nhỏ hơn 20 độ; dịng khơng nhớt, khơng nén và có
102
thể mở rộng với dòng chịu nén với số Mach của chuyển động nhỏ hơn 0,65 (nhằm hạn chế ứng dụng đối với loại dòng quá độ âm với sự xuất hiện các vùng trên âm cục bộ); góc tới của chuyển động nhỏ hơn 10 độ. Chương trình này có thể ứng dụng để nghiên cứu độc lập các bài tốn khí động về cánh.
2. Thực hiện thực nghiệm đo áp suất phân bố trên cánh 3D. Thực nghiệm được tiến hành cơng phu với kết quả đo có độ chính xác cao. Kết quả thực nghiệm được ứng dụng để kiểm chứng chương trình tính tốn khí động cánh 3D với sự phù hợp cao giữa kết quả thực nghiệm và kết quả lập trình số. Cơng trình thực nghiệm ở đây xác nhận một phương pháp đo áp suất trên cánh 3D có độ chính xác cao trong điều kiện trang thiết bị và dụng cụ đo thông dụng.
3. Xây dựng chương trình giải bài tốn biến dạng đàn hồi cánh theo mơ hình 3D với kết cấu cánh rỗng có dầm. Vỏ cánh mỏng so với các kích thước khác của cánh nên thực hiện suy biến một bậc tự do từ 6 còn 5 bậc tự do tại mỗi nút xét. Cánh được rời rạc và xấp xỉ bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Ngoại lực tác dụng lên cánh có thể là lực tập trung hoặc áp lực khí động phân bố trên hai mặt lưng cánh và bụng cánh. Phạm vi ứng dụng của chương trình tính tốn kết cấu này là cánh rỗng với chiều dày và vật liệu vỏ có thể thay đổi; kết cấu bên trong cánh có các dầm với vị trí, kích thước, số lượng và vật liệu dầm có thể thay đổi. Vật liệu làm vỏ hoặc làm dầm là các vật liệu đồng nhất. Chương trình này có thể ứng dụng để nghiên cứu độc lập các bài toán biến dạng đàn hồi về cánh.
4. Xây dựng chương trình tính tốn liên kết khí động - đàn hồi cánh theo mơ hình 3D dựa trên cơ sở ứng dụng kết hợp hai chương trình tính khí động cánh 3D và tính biến dạng đàn hồi cánh 3D. Dưới tác động của lực khí động làm cánh bị biến dạng uốn, việc kiểm tra ứng suất phân bố trên cánh cho phép đánh giá khả năng chịu lực của cánh, từ đó có các biện pháp điều chỉnh kết cấu bên trong cánh nhằm tăng khả năng chống uốn và nâng cao cơ tính đàn hồi cho cánh. Khi biến dạng cánh gồm cả uốn và xoắn, các vịng tính lại lực khí động và biến dạng kết cấu được lặp cho đến khi nhận được kết quả hội tụ. Việc kiểm tra biến dạng và phân bố ứng suất theo kết quả của vịng tính lặp cuối cùng cho phép đưa ra các biện pháp chống biến dạng xoắn hiệu quả. Trên thực tế, xoắn cánh là một hiện tượng có ảnh hưởng tiêu cực cần phải tránh. Về phương diện tải tĩnh, xoắn cánh với góc xoắn dương làm tăng lực khí động với tâm áp lực bị dịch chuyển ra phía mút cánh. Hiệu ứng này làm tăng mạnh hơn mômen uốn và mơmen xoắn cánh dẫn đến cánh có thể bị phá hủy nhanh chóng do ứng suất cục bộ trong cánh vượt quá giới hạn đàn hồi chuyển sang trong thái biến dạng dẻo. Về phương diện tải động, có thể xảy ra hiện tượng tần số uốn cánh và tần số xoắn cánh trùng nhau dẫn tới hiệu ứng cộng hưởng làm cho cánh “tự vẫy” gây nên trạng thái phá hủy nguy hiểm cho cánh (hiện tượng này liên quan đến phương trình dao động, không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án này).
5. Xây dựng chương trình tính tốn số bán giải tích xác định vận tốc tới hạn xoắn phá hủy cánh. Vận tốc tới hạn được tính tốn bằng một biểu thức giải tích trên cơ sở đại lượng độ cứng chống xoắn được xác định từ chương trình số tính kết cấu cánh 3D và đại lượng đạo hàm hệ số lực nâng theo góc tới được xác định từ chương trình số tính khí động cánh 3D. Tiện ích phương pháp này là có thể đưa ra các biện pháp nâng cao giá trị vận tốc tới hạn bằng cách thay đổi vị trí và số lượng dầm nhằm giảm giá trị khoảng cách giữa tâm cứng và tâm khí động. Tuy nhiên, phương pháp bán giải tích này có những hạn chế là đã sử dụng giả thiết 2D về lực khí động và tuyến tính hóa một số quan hệ về khí động nên biểu thức giải tích về vận tốc tới hạn khơng thể hiện được vai trị ảnh hưởng của góc tới. Về phương diện
103
kết cấu, độ cứng chống xoắn của cánh chủ yếu được xét trên khả năng chịu tải của các dầm, và không xét đến vỏ cánh. Phương pháp này không xét đến sự nguy hiểm của kết cấu do biến dạng uốn gây nên.
Hướng phát triển của nghiên cứu
Trên cơ sở các kết quả của luận án đã thực hiện được, có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu theo các hướng sau:
- Nâng cấp phiên bản mới đối với chương trình tính khí động cánh 3D khi xét đến sự có mặt của cánh điều khiển và các hình dạng phức tạp hơn.
- Nâng cấp phiên bản mới đối với chương trình tính biến dạng đàn hồi cánh khi xét đến tính khơng đồng nhất của vật liệu (vật liệu có nhiều lớp).
- Các tính tốn chun sâu về khí động cánh 3D và biến dạng đàn hồi cánh 3D của luận án tạo cơ sở tốt cho việc mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực dao động khi xét tương tác giữa khí động và đàn hồi có kể đến yếu tố thời gian.
104