Đàn hồi khí động (ĐHKĐ) là một hiện tượng xảy ra khi một vật rắn, có tính
21
quán tính và đàn hồi khiến cho nó bịdao động có thể dẫn tới phá hủy. ĐHKĐ được
chia làm hai lĩnh vực chính là ĐHKĐ tĩnh và ĐHKĐ động. Collar đã đề xuất mô
hình tương tác giữa các lực như hình 2.4 [5].
Hình 2.4 Tam giác đàn hồi khí động Collar
Hiện tượng ĐHKĐ từlâu đã trở thành một trong những vấn đề quan trọng nhất của ngành Kỹ thuật Hàng không. Hiện tượng thường xảy ra với cánh máy bay, cánh quạt quay, cánh máy nén… có thể gây phá hủy kết cấu ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn bay. Bởi vậy, việc nghiên cứu hiện tượng ĐHKĐ là vô cùng cần thiết và đóng một vai trò quan trọng trong hàng không.
a) Hiện tượng đàn hồi khí động tĩnh
Theo tam giác khí động của Collar, hiện tượng ĐHKĐ tĩnh có sự tham gia của lực khí động và đàn hồi (không có lực quán tính). Đặc trưng cơ bản của hiện
tượng này là sự biến dạng theo một chiều. Biến dạng sẽlàm thay đổi phân bố áp suất trên cánh. Các hiện tượng ĐHKĐ tĩnh quan trọng nhất gồm:
- Xoắn phá hủy cánh(divergence): xảy ra cánh máy bay bị lệch hướng dưới tác dụng của lực khí động dẫn tới kết cấu bị biến dạng xoắn. Khi góc đặt cánh và vận tốc tăng, lực khí động tăng theo. Khi đạt đến vận tốc tới hạn, góc xoắn có xu
hướng tiến đến vô cùng, dẫn đến cánh có thể bị phá hủy;
- Đảo chiều tác dụng cánh lái: gây ra hiệu ứng đảo ngược hiệu quả điều khiển của cánh lái, khiến cho lực nâng trên cánh lái bằng 0. Hiện tượng thường xảy ra khi máy bay đạt đến tốc độ tới hạn nào đó. Khi đó, dòng qua cánh nhiều đến mức lực tạo ra bởi các cánh lái sẽ khiến chính nó bị xoắn vềhướng ngược lại (so với hướng điều khiển) làm giảm hiệu quảđiều khiển.
22
Các hiện tượng ĐHKĐ tĩnh thường quan trọng với các máy bay nhỏ và tàu
lượn. Trong khi với các máy bay cỡ lớn, hiện tượng ĐHKĐ động thường được
quan tâm hơn.
b) Hiện tượng đàn hồi khí động động
Khí động đàn hồi động là hiện tượng có sự tham gia của cả ba lực khí động,
đàn hồi và quán tính. Đặc trưng cơ bản của hiện tượng này là sự dao động của cánh. Các hiện tượng chính bao gồm:
- Hiện tượng flutter là hiện tượng dao động rung lắc, còn được gọi là uốn xoắn. Bản chất của hiện tượng này là dao động điều hòa tự duy trì của một thành phần kết cấu nào đó. Khi tốc độmáy bay tăng, lực duy trì dao động càng tăng, biên độ dao động tăng lên đến một giá trị không đổi. Khi đó, nếu tiếp tục tăng vận tốc, kết cấu có thể bị phá hủy;
- Hiện tượng bafting là hiện tượng rung lắc gây ra do dao động cưỡng bức của các dòng khí đứt đoạn sinh ra do tác động của các thành phần phía trước của máy bay. Tần số kích thích của các dòng khí này tăng dần đến tần số dao động riêng của kết cấu làm kết cấu bị rung lắc.
c) Hiện tượng đàn hồi khí động của cánh quay
Hiện tượng đàn hồi khí động trên MBTT là một hiện tượng thường gặp trong quá trình hoạt động. Nó gây ra các dao động lên các bộ phận của MBTT.
Trong đó, dao động xảy ra trên cánh CCM là loại nguy hiểm nhất bởi đây là bộ
phận tạo ra lực nâng chủ yếu của máy bay, đảm bảo cho máy bay hoạt động bình
thường. Các dao động về mặt lý thuyết cũng xảy ra tại các bộ phận khác như chong
chóng lái, càng và thân máy bay. Tuy nhiên do độ cứng chúng thường lớn nên trong thực tế hầu như ít xảy ra hiện tượng này.
Hiện tượng đàn hồi khí động xảy ra ở cánh quay là hiện tượng tương tác
giữa các lực khí động do cánh CCM quay tạo ra và lực đàn hồi do kết cấu sinh ra.
Đócũng chính là sựtrao đổi năng lượng giữa dòng khí và vật rắn đàn hồi. Vì vậy, dòng khí bị mất năng lượng và không thể cung cấp đủ năng lượng cho MBTT như khi không có tương tác. Điều này thường dẫn đến sự giảm lực nâng trên cánh. Kết cấu đồng thời bị biến dạng, tùy vào điều kiện hoạt động mà có thể xảy ra hiện
tượng flutter hoặc rung động ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của kết cấu cũng như độổn định khi bay. Do đó, việc nghiên cứu hiện tượng đàn hồi khí động để tìm ra một mô hình thích hợp đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thiết kế MBTT.
Dao động của cánh CCM là dao động phi tuyến và bản chất là một bài toán
tương tác rắn lỏng FSI (Fluid Structure Interaction). Để phân tích hiện tượng này, ta có thể sử dụng các phương pháp mô phỏng số. Trong đó, phổ biến nhất là phương
23
pháp kết hợp giữa CFD (Computational Fluid Dynamics) và CSD (Computational
Structural Dynamics). Theo đó, phương pháp sẽ chia bài toán thành hai bài toán nhỏhơn là bài toán khí động và bài toán kết cấu. Từng bài toán sẽđược giải riêng bằng các mô hình tương ứng, sau đó, kết quả sẽđược cập nhật cho nhau để từđó
giải được bài toán khí động đàn hồi. Người ta chia một bài toán FSI thành hai loại là bài toán một chiều và hai chiều.