Mô hình máy bay được đơn giản hóa bởi 4 loại vật liệu cơ bản (gỗ, nhôm, composite và thép). Gỗ, nhôm và composite là những vật liệu có khối lượng riêng nhỏ phù hợp cho các khí cụ bay. Vì vậy, vật liệu gỗđược dùng cho vỏ cánh, và các thanh ngang trên cánh. Thanh dọc cánh làm bằng nhôm đểtăng độ cứng cho cánh và thân máy bay được làm từ vật liệu composite có tính chịu bền cao.
Đối với vật liệu thép có tính bền cao, tuy nhiên lại có khối lượng riêng lớn
nên thường ít được sử dụng cho khí cụ bay. Nhưng để làm các vật liệu chịu ứng suất kéo nén lớn, thép là một lựa chọn không thể bỏ qua. Với đặc tính nổi trội như
vậy, chân đếđược thiết kế từ thép để đảm bảo độ vững chắc cho mô hình (hình 3.1).
Đối với các vật liệu đẳng hướng như gỗ, nhôm, thép các giới hạn về vật liệu
được quy định bởi ứng suất kéo, ứng suất nén và ứng suất cắt. Còn đối với composite không phải là vật liệu đẳng hướng, các giới hạn về kéo nén theo các
phương là khác nhau. Đồng thời, trên phương diện biến dạng cũng là một yếu tố
giới hạn bền cho loại vật liệu này.
Bảng 4.1 Thông số của các vật liệu đẳng hướng
Vật liệu Ứng suất kéo tới hạn [MPa] Ứng suất nén tới hạn [MPa] Gỗ 41 66.3 Nhôm 280 310 Thép 250 460 Bảng 4.2 Thông số vật liệu composite Phương Ứng suất tới hạn [MPa] Biến dạng tới hạn[m/m] Giới hạn kéo X 34 0.0026 Y 1632 0.0143 Z 34 0.0026 Giới hạn nén X -68 -0.0146 Y -704 -0.006 Z -68 -0.0146 Giới hạn cắt X 80 0.012 Y 55 0.016 Z 80 0.016
48
Vì đặc tính khác biệt như vậy, việc xây dựng các lớp composite đúng hướng là vô cùng quan trọng. Đối với mô hình này, ứng suất kéo nén lớn nhất theo phương Y, đây là cơ sở cho sự sắp xếp các tấm composite cho phù hợp với mô hình.
4.2 Chia lưới
Cũng giống như những yêu cầu vềlưới đối với khí động, lưới kết cấu đòi
hỏi độ lệch chuẩn và trực giao phù hợp. Điểm khác biệt lớn nhất giữa lưới khí động
và lưới kết cấu là sự chênh lệch giữkích thước lưới lớn nhất và kích thước lưới nhỏ nhất. Đối với bài toán khí động cho phép chia lưới mịn tại các vùng có đặc
điểm khí động nhảy cảm, điều này làm cho kích thước lưới giữa các vùng có sự
chênh lệch lớn. Tuy nhiên, việc chia lưới lệch quá nhiều đối với bài toán kết cấu gây ra sai số lớn. Các chỉ số Jacobian được áp dụng để kiểm soát độ lệch lưới.
Hình 4.1 Lưới trên cánh
Hình 4.2 Lưới trên toàn mô hình
Đối với cụm cánh có cấu tạo đơn giản, lưới vuông được sử dụng, còn đối với cụm thân và giá đỡ có kết cấu phức tạp, lưới tam giác được sử dụng. Kết quả lưới thu được có chất lượng Orthogonal là và skewness nằm trong vùng cho phép.
4.3 Các điều kiện biên
Giống như bài toán FSI một chiều thông thường, áp suất khí động được sử
dụng đểđưa vào tính toán cho bài toán kết cấu. Bên cạnh đó các cài đặt khác được áp dụng đểkhép kín các điều kiện biên cho bài toán đối với mô hình này.
49
Hình 4.3 Các điều kiện biên
Standard Earth Gravity: Gia tốc trọng trường được cài đặt hướng theo chiều Y với độ lớn -9806.6 mm/s2
Rotational Velocity: Vận tốc quay của cánh được thiết lập cho cụm cánh và gốc cánh. Vận tốc này bằng vận tốc quay của cánh tại các trường hợp mô phỏng
khí động và có điểm đặt tại gốc tọa độ
Fixed support: Sử dụng ngàm tại đếđể cốđịnh mô hình
Remote Displacement: Cho phép cốđịnh gốc cánh khi quay
Hình 4.4 Vị trí sử dụng Remote Displacement
Displacement: Giữa thanh kết nối với gốc cánh được kết nối với nhau bởi
đinh giữ. Các định giữ này sử dụng Displacement cho phép thanh thanh nhôm dọc cánh và gốc cánh cốđịnh tương đối với nhau.
50
Remote Force: Khi CCM quay để tạo lực nâng, lực nâng này sẽ phân bố
dọc trên bề mặt của cánh và có tính chất đối xứng hai bên. Lực này được tổng hợp thành một lực độ lớn bằng tổng độ lớn lực nâng trên cánh và phương nằm tại tâm quay. Lực này thông qua trục quay kéo thân và các thiết bị khác trên máy bay. Để
có thể mô hình hóa lực này một lực điều khiển từxa (Remote Force) được mô hình
hóa để tác dụng lên toàn bộ cụm thân và đếnhư hình dưới đây.
Hình 4.6 Vị trí của Remote Force
Import load: Kết quả áp suất khí động trên toàn bộmô hình được truyền sang bài toán kết cấu.
Hình 4.7 So sánh phân bố áp suất mặt trên cánh (a.Khí động, b.Kết cấu)
a)
51
Hình 4.8 So sánh phân bố áp suất mặt dưới cánh (a.Khí động, b.Kết cấu)
Hình 4.9 So sánh phân bố áp suất trên thân và đế (a.Khí động, b.Kết cấu)
Dễ dàng nhận thấy rằng, sự phân bố và giá trị của bài toán khí động và kết cấu là hoàn toàn giống nhau. Điều này nói lên độ tin cậy của bài toán. Trong trường phân bố áp suất trên mặt cánh, áp suất cao xuất hiện ở phía trên mặt cánh, áp suất thấp xuất hiện ở phần phía dưới mặt cánh. Điều này phù hợp với nguyên lý tạo lực
nâng đối với dòng qua cánh.
Áp suất ở trên thân phân bốkhông đồng đều. Áp suất cao ở ngay phần dưới
đầu mút cánh, áp suất này tác dụng trực tiếp lên bộ gá.
4.4 Kết quả
4.4.1 Chuyển vị
Nhìn một cách tổng quan, chuyển vị lớn nhất diễn ra ở đầu mút cánh. Các vùng gốc cánh và thân MBTT chuyển vị ít và vùng đế gần như không chuyển vị.
a)
b)
52
Hình 4.10 Chuyển vị của toàn mô hình MBTT
Nguyên nhân của chuyển vị xuất phát từ lực khí động tác động lên cánh và toàn thân của mô hình. Vì thế, đặc tính của chuyển vị trên mô hình có xu hướng
thay đổi theo đặc tính biến đổi khí động khi thay đổi góc đặt cánh và tốc độ vòng quay.
Đồ thị 4.1. Chuyển vị lớn nhất trên cụm cánh
Khi tăng dần góc đặt cánh hoặc tốc độ vòng quay, chuyển vịtăng dần. Điều này hoàn toàn đúng với lý thuyết đặt ra. Để thấy rõ chuyển vị nhỏ của các cụm chi tiết, trường hợp 10 độ, 750 vòng/phút được phân tích kỹ:
0 10 20 30 40 50 650 700 750 800 850 Ch uy ển vị lớn nh ất (N) Tốc độ quay CCM (vòng/phút) 9 10 11 12
53
Hình 4.11 Chuyển vị trên cánh
Hình 4.12 Chuyển vị trên thân
Chuyển vị trên cánh có xu hướng tăng dần từ gốc cánh đến đầu mút cánh, chuyển vị tại thân có xu hướng lớn ởvùng phía đầu và xấp xỉ bằng không tại phần
đế.
4.4.2 Ứng suất và biến dạng
Mô hình này không sử dụng một loại vật liệu duy nhất, các vật liệu khác nhau có giới hạn độ bền khác nhau đòi hỏi việc nghiên cứu vềđộ bề phải đi theo
các vùng vật liệu. Hệ sốan toán được sử dụng cho bài nghiên cứu này là 1.3 a) Đối với vùng vật liệu gỗ
54
Đồ thị 4.2 Ứng suất lớn nhất cho vùng vật liệu gỗ
Khi tăng góc đặt cánh hoặc tăng tốc độvòng quay đối với CCM làm cho ứng suất lớn nhất tại các trường hợp tăng lên. Tất cả các giá trị ứng suất lớn nhất đối với vùng vật liệu gỗđều nhỏhơn ứng suất tới hạn của vật liệu gỗ cho thấy tính bền của vùng vật liệu này.
Hình 4.13 Vùng tập trung ứng suất lớn nhất của gỗ
Đối với vùng vật liệu gỗ ứng suất lớn nhất được tập trung tại vùng nối giữa các thanh ngang và thanh nhôm dọc. Nguyên nhân của việc tạo ra ứng suất lớn tại đây
là do khi lực khí động được tạo ra trên bề mặt cánh làm cho cánh bị uốn cong. Các thanh ngang bị uốn và tì vào thanh nhôm chạy dọc cánh gây ra hiện tượng trên.
b) Đối với vùng vật liệu nhôm 0 10 20 30 40 50 60 70 650 700 750 800 850 Ứn g su ất lớn nh ất (N) Tốc độ quay CCM (vòng/phút) 9 10 11 12 Ứng suất tới hạn
55
Đồ thị 4.3 Ứng suất lớn nhất cho vùng vật liệu nhôm
Giống như sự biến đổi ứng suất đối với vùng vật liệu gỗ, ứng suất tăng dần theo
góc đặt cánh và tốc độ vòng quay của cánh. Dựa vào đồ thị 4.3 ta có thể thấy, đối với góc đặt cánh 9 độ, tất cảcác trường hợp đều thỏa mãn ứng suất tới hạn của vật liệu. Các góc đặt cánh khác đòi hỏi giới hạn về tốc độ vòng quay. Cụ thể, tại 10 độ
tốc độ vòng quay nhỏhơn 800 vòng/phút, tại 11 độ tốc độ vòng quay nhỏhơn 750
vòng/phút, tại 12 độ tốc độ vòng quay nhỏ hơn 720 vòng/phút. Đây là giới hạn trên trong quy trình khảo sát đối với mô hình MBTT này.
Hình 4.14 Vùng tập trung ứng suất lớn nhất của nhôm
Kết quả phân bốứng suất tại góc đặt cánh 10 độ, 750 vòng/phút cho thấy vị trí có
ứng suất lớn nhất đối với vùng vật liệu nhôm. Đây là vị trí tiếp giáp với các đinh
0 60 120 180 240 300 360 420 480 650 700 750 800 850 Ứn g su ất lớn nh ất (N) Tốc độ quay CCM (vòng/phút) 9 10 11 12 Ứng suất tới hạn
56
thép ngàm với gốc cánh. Nguyên nhân tập trung ứng suất lớn tại đây do cánh bị bẻ
cong, thanh nhôm tì một lực lớn vào đinh thép. c) Đối với vùng vật liệu thép
Đồ thị 4.4 Ứng suất lớn nhất cho vùng vật liệu thép
Ứng suất lớn nhất tạo vừng vật liệu thép cũng có xu hướng như các vùng vật liệu khác. Tuy nhiên, với độ cứng lớn, ứng suất tới hạn lớn nên sự bếđổi này là không
đáng kể so với ứng suất tới hạn của vật liệu này. Điều này thể hiện tính vững chắc của chân đế cho mô hình. Ứng suất lớn nhất tại vùng này tập trung tại vùng tiếp giáp giữa chân đế và vùng kết nối với thân.
Hình 4.15 Vùng tập trung ứng suất lớn nhất của thép d) Đối với vùng vật liệu composite 0 100 200 300 400 500 650 700 750 800 850 Ứng suất lớn nhất (N) Tốc độ quay CCM (vòng/phút) 9 10 11 12 Ứng suất tới hạn
57
Vật liệu composite là vật liệu bất đẳng hướng theo các phương. Sự sắp xếp các lớp
đối với loại vật liệu này ảnh hưởng đến tính bền của vật liệu theo phương đó. Đối với mô hình này, nhận thấy ứng suất lớn tạo ra theo chiều y do lực nâng trên cánh tạo ra. Vì thế, các tấm composite được lát theo phương pháp mà ứng suất tạo ra lớn nhất diễn ra theo phương y. Khi đó, ta thu được ứng suất trên cánh vô cùng nhỏ so với ứng suất giới hạn cho phép.
Đồ thị 4.5 Ứng suất lớn nhất cho vùng vật liệu composite
Tuy nhiên, ngoài ứng suất giới hạn yêu cầu, vật liệu composite còn bị giới hạn bởi biến dạng tới hạn. Đó là chuyển vị của mô hình so với kích thước toàn bộ mô hình.
Đồ thị 4.6 Ứng suất lớn nhất cho vùng vật liệu composite 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 650 700 750 800 850 Ứn g su ất lớn nh ất (N) Tốc độ quay CCM (vòng/phút) 9 10 11 12 Ứng suất tới hạn 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 650 700 750 800 850 Ứn g su ất lớn nh ất (N) Tốc độ quay CCM (vòng/phút) 9 10 11 12 Biến dạng tới hạn
58
Biến dạng lớn nhất xuất hiện ở vùng có ứng suất lớn nhất. Biến dạng trong tất cả các trường hợp đều đạt điều kiện giới hạn đối với vật liệu composite đặt ra ban
đầu.
Hình 4.16 Vùng tập trung ứng suất lớn nhất của composite
Ứng suất và biến dạng lớn nhất trong vùng vật liệu composite tại vùng tiếp xúc giữa thanh nối thân với đế của mô hình MBTT.
Từ việc khảo sát khí động và khảo sát vật liệu, ta thu được dải hoạt động cho mô hình MBTT : Bảng 4.3 Dải hoạt động của mô hình MBTT Góc đặt cánh Tốc độ vòng quay (vòng/phút) 9 730-850 10 680-800 11 660-750 12 650-720
Trong dải hoạt động này đảm bảo tính khả phi và độ bền kết cấu cho mô hình khảo sát. Đây là những tiền đề quan trọng đối với thực nghiệm, giúp giảm thời gian thực nghiệm mà vẫn đạt được mục đích khảo sát mong muốn. Hơn nữa
59
KẾT LUẬN
Việc nghiên cứu bộ thí nghiệm có yếu tố quan trọng, là tiền đềcơ bản cho những nghiên cứu tiếp theo trong chu trình thiết kế và chế tạo cho MBTT. Bài nghiên cứu đã thu được các kết quả sau:
- Khi CCM mang quay hút dòng khí từ khu vực phía trên qua vùng quay và
đẩy xuống phía dưới làm chênh lệch áp suất giữa hai khu vực tọa nên lực nâng cho MBTT;
- Sự chênh lệch áp suất tại đầu mút cánh thay đổi nhiều nhất do ảnh hưởng của xoáy đầu mút cánh, vốn là đặc trưng hình thành trên cánh CCM khi quay.
Chính điều này đã tạo ra lực lớn tại đầu mút cánh gây hiện tượng đàn hồi khí động - Khi tăng dần các góc đặt cánh hoặc tăng tốc độ vòng quay trên cánh. Lực
nâng tăng lên, kèm với đó là ứng suất trên toàn bộthân và cánh máy bay tăng lên; - Chuyển vị lớn nhất xuất hiện tại đầu mút cánh giảm dần vào gốc cánh. Các khu vực thân máy bay, bộđế có chuyển vịkhông đáng kể;
- Ứng suất tới hạn của các vùng vật liệu khác nhau là khác nhau, các vùng vật liệu đều có ứng suất lớn nhất nằm trên ứng suất tới hạn. Duy chỉ có vùng vật liệu nhôm còn một sốtrường hợp nằm trong vùng giới hạn. Đây cũng là điều kiện trên cho tính bền của mô hình này;
- Dựa vào tính khả phi và tính bền đối với vật liệu, dải hoạt động của mẫu thiết kếnày như sau:
+ 9 độ: 730-850 vòng/phút; + 10 độ: 680-800 vòng/phút;
+ 11 độ: 660-750 vòng/phút;
+ 12 độ: 650-720 vòng/phút.
Với các kết quả như trên, các hướng phát triển tương lai của đồ án này sẽ
là:
- Nghiên cứu hiện tượng FSI một chiều tại các chếđộ bay khác nhau; - Nghiên cứu hiện tượng hiệu ứng mặt đất trong bộ thí nghiệm;
- Nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng đàn hồi khí động, cụ thể là hiện tượng FSI hai chiều đối với mô hình hiện tại;
60
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N. T. Mịch, “Giáo trình máy bay trực thăng”, NXB Đại học Bách khoa Hà Nội, 2010.
[2] Fabrizio De Gregorio, Kurt Pengel, Kolja Kindler, “Industrial measurement campaign on a fully equipped helicopter model”, Laser Techniques to Fluid Mechanics, July 05 – 08, 2010
[3] Thomas H. Maier, “An experimental evaluation of wind tunnel wall correction methods for helicopter performance”, American Helicopter Society 52nd
Annual Forum, June 4-6, 1996.
[4] M. Dietz, W. Khier, B. Knutzen, S. Wagner, E. Krämer, “Numerical simulation
of a full helicopter configuration using weak fluid–structure coupling”, 46th
AIAA Aerospace Science Meeting, Reno, NV, AIAA-2008-01-07, 2008. [5] E. H. Dowell, “A modern course in Aeroelasticity”, Springer International
Publishing Switzerland, 2015.
[6] R. S. Raja, "Coupled fluid structure interaction analysis on a cylinder exposed
to ocean wave loading”, Department of Applied Mechanics, Division of Fluid
mechanics, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2012. [7] NASA, "Navier Stokes Equations," National Aeronautics and Space
Administration, 05 May 2015
[8] Aswinth Raj, Speed, Distance and Angle Measurement for Mobile Robots
61
PHỤ LỤC
62 Bản thiết thân của bộ thí nghiệm: