Tính toán thiết kế mô phỏng kết cấu cánh máy bay UAV

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH
TỐN KẾT CẤU HÀNG KHƠNG
Chủ đề: Thiết kế, tính tốn, mơ phỏng kết cấu cánh máy
bay UAV
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1
Họ và tên

MSSV

Phùng Đức Minh

20152493

Phạm Tuấn An

20150014

Nguyễn Thị Thiên Trang

20153886

Lê Phạm Hùng Anh

20150066

Hà Nội, 6/2019

Mục Lục


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
1. Yêu cầu thiết kế và thông số
Thiết kế kết cấu cánh máy bay không người lái (UAV) với các thông số như hình vẽ

Hình 1 Thơng số cánh

Thơng số
Sải cánh b
Dây cung gốc cánh cr
Dây cung mũi cánh ct
Tỉ số dạn AR
Tỉ số thon – Taper ratio λ
Góc đặt cánh
Vận tốc hành trình
Khối lượng cất cánh tối đa

Giá trị
6m
0,4 m
0,15m
17
0,375
4 độ
25 m/s
12 kg

Cánh sử dụng profil Eppler 212 có độ dày tối đa 10,6% tại 27,5% dây cung. Độ
vòng tối đa của đường trung bình là 2,5% tại 61,3% dây cung

Hình 2 Profile Eppler 212

Profil Eppler có biểu đồ hệ số lực nâng, hệ số lực cản theo góc đặt cánh và hệ số
khí động như các đồ thị dưới đây.

3


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 3 Hệ số lực nâng lực cản theo góc đặt cánh

Hình 4 Hệ số chất lượng khí động theo góc đặt cánh

2. Nghiên cứu lý thuyết
2.1 Tính tốn các thơng số khí động của cánh
Với góc đặt cánh 4 độ, tra đồ thị có hệ số lực nâng là 0,9. Sử dụng cơng thức lực
nâng

Vậy 1 cánh theo lý thuyết có thể tạo ra 36 kg lực nâng.
4


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV
Tâm khí động thường ở khoảng 25% dây cung, vì vậy để thanh xà chính ở vị trí 0,1
m từ mép vào.
2.2 Kết cấu cánh

Cánh của máy bay được thiết kế để nâng nó lên khơng trung. Thiết kế đặc
biệt cho bất kỳ máy bay nào đều phụ thuộc vào các yếu tố, chẳng hạn như kích
thước, trọng lượng, mục đích máy bay, tốc độ mong muốn trong khi bay bằng và
khi hạ cánh. Cánh của máy bay được chỉ định trái và phải, tương ứng với bên trái
và bên phải của người khi ngồi trong buồng lái. Cánh thường có thiết kế đúc đầy
đủ. Điều này có nghĩa là chúng được xây dựng sao cho khơng cần giằng ngồi.
Chúng được hỗ trợ bên trong bởi các thành phần cấu trúc vỏ máy bay. Một số loại
cánh máy bay khác sử dụng thanh chống bên ngoài hoặc dây để hỗ trợ cánh và
mang tải trọng khí động học và tải trọng hạ cánh. Cáp hỗ trợ cánh và thanh chống
thường được làm từ thép. Nhiều thanh chống và khớp nối đính kèm của chúng có
fairings để giảm lực cản. Một cách ngắn gọn, gần với hỗ trợ dọc được gọi là thanh
chống, được tìm thấy trên thanh chống gắn vào cánh một khoảng cách rất xa từ
thân máy bay. Điều này phục vụ để triệt tiêu chuyển động thanh chống và dao động
gây ra bởi khơng khí xung quanh thanh chống cho thấy mẫu cánh sử dụng giằng
ngồi, cịn được gọi là cánh bán công xôn. Cánh công xôn được xây dựng khơng có
bên ngồi giằng cũng được hiển thị.
Vật liệu chính để xây dựng cánh máy bay là nhôm, nhưng đôi khi cũng có
thể phủ gỗ hoặc vải để giảm khối lượng, hoặc cũng có thể dùng hợp kim magiê.
Máy bay hiện đại ngày nay đang có xu hướng giảm khối lượng hơn nữa đi đôi với
yêu cầu cứng vững hơn nên vật liệu được thay thế bằng composite sợi carbon. Các
cấu trúc bên trong cánh hầu hết được tạo từ các thanh xà dọc và các tấm chạy dọc
sườn.
Các thanh xà là thành phần chủ chốt của cánh, nó chịu cả lực tập trung và lực
phân tán như biên dạng, càng đáp và động cơ.
5


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
Vỏ cánh được gắn bên ngoài kết cấu, chịu phần lớn tải trọng trong q trình
bay. Nó cũng truyền tải đến khung sườn.

Khung sườn, truyền tải đến các thanh xà
Nhìn chung, kết cấu cánh được xây dựng dựa trên 1 trong 3 thiết kế cơ bản:
1.

Xà đơn (Monospar)

2.

Đa xa (Multispar)

3.

Dầm hộp (Box Beam)

Các biến thể của các thiết kế cơ bản trên cũng được các nhà sản xuất sử dụng
rộng rãi.
Kết cấu cánh đơn dâm (monospar) chỉ sử dụng một xà dọc chạy dọc theo hướng
sải cánh. Các khung sườn cánh hoặc các vách ngăn sẽ tạo biên dạng cho cánh. Kết
cấu cánh đơn dâm không được sử dụng phổ biến. Thiết kế này có thể cải tiến bằng
cách bổ sung các thanh xà dọc nhỏ hoặc các gân tăng cứng nhẹ dọc theo mép ra của
cánh để hỗ trợ các bề mặt điều khiển. Kết cấu cánh nhiều và dọc (multispar) sử
dụng nhiều hơn một thanh xà dọc, kết cấu thường gặp bao gồm một thanh xà dọc
phía trước (front spar) và một thanh xà dọc phía sau (rear spar). Biến dạng của cánh
cũng được tạo bởi các khung sườn cánh hoặc các vách ngăn.
Dạng kết cấu cánh dầm hộp (box beam) sử dụng hai thành phần kết cấu dọc
chính và liên kết các vách ngăn với nhau để tăng độ bền cho kết cấu và tạo ra biên
dạng cho cánh. Giữa các vách ngăn và lớp vỏ bên ngoài của cánh có thể bố trí một
tấm kim loại lượn sóng để cánh có thể chịu tốt hơn các tải trọng kéo và nén. Trong
một số trường hợp, các gân tăng cứng (stiffener) | lớn chạy dọc được sử dụng để
thay thế cho các tấm kim loại lượn sóng. Đơi khi, các tấm lượn sóng và các gân

tăng cứng được sử dụng đồng thời, trong đó tấm lượn sóng sử dụng ở mặt trên của

6


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
cánh và gân tăng cứng sử dụng ở mặt dưới của cánh. Kết cấu cánh dầm hộp thường
được sử dụng cho dạng máy bay vận tải hàng khơng.

Hình 5 Kết cấu cánh

2.2.1 Thanh xà dọc cánh
Xà dọc là cấu trúc cơ bản của cánh, nó giống như xà dọc của thân máy bay.
Chúng có phương ngang so với thân máy bay, nối từ gốc cánh tới đầu mút cánh. Xà
dọc được làm bằng hợp kim, gỗ hoặc vật liệu composite phục thuộc vào thiết kế
của từng loại máy bay.
Phần lớn xà dọc máy bay ngày nay được làm bằng hợp kim nhôm nguyên
khối hoặc hợp kim nhôm được tán gắn vào nhau. Với việc đẩy mạnh sử dụng
composite và kết hợp các loại vật liệu làm cho việc thiết kế cánh rất đa dạng.

7


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 6 Các dạng thanh chữ I

Trong kết cấu thanh xà chữ I, phần trên và dưới được gọi là mũ (caps) và tiết
diện thẳng được gọi là kết cấu mạng (webs). Cả thanh xà có thể được đúc từ 1 khối
kim loại và đục lỗ nhưng nó thường được làm từ nhiều phần được gắn vào nhau.

Kết cấu mạng gia cường cho thiết kế. Kết hợp lại chúng chịu được tải uốn của
cánh, phần mũ tạo phần nền để gắn được vỏ cánh.

Hình 7 Cấu tạo thanh chữ I

Ngồi ra, cấu trúc an tồn hư hại ln được thiết để để đảm bào an tồn. Có
nghĩa là khi 1 thanh xà nào đó hỏng, các thanh xà khác sẽ chia sẻ tải trọng của phần
hư hại để đảm bảo kết cấu vẫn tiếp tục được nghiệm vụ.

8


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
Cánh luôn có 2 thanh xà chính. Một thường để phía trước cánh, cái còn lại ở
2/3 khoảng cánh từ mép vào đến mép ra cánh. Bất kể thiết kế nào, thanh xà dọc là
một phần rất quan trọng của cánh. Khi cấu trúc của cánh quá tải, phần lớn ứng suất
sinh ra tác dụng vào xà dọc. Ln có các thanh xà dọc hỗ trợ bổ sung, chúng cùng
phương với xà chính nhưng khơng dài hết chiều dài của cánh.
2.2.2 Cánh dạng khung sườn (Wing Ribs)
Khung sườn là cấu trúc kết hợp xà dọc và dầm gắn để tạo nên khung cánh.
Nó thường được sử dụng để mở rộng diện tích cánh từ thanh xà trước tới mép vào
hoặc mép ra. Khung sường tạo hình dạn cho cánh và truyền tỉa từ vỏ và dầm gắn
tới xà dọc. Các cấu trúc sườn tương tự được dùng trong cánh liệng, cánh lái độ cao,
cánh lái hướng. Sườn cánh thường được tạo từ kim loại.

Hình 8 Các thành phần cấu tạo kết cấu cánh

Sườn cánh bao gồm sườn phụ và sườn chính. Sườn chính nối liền mép vào
tới thanh xà dọc và mép ra. Sường phụ có chức năng đảm bảo ăn tồn nên chỉ nối
từ méo vào tới thanh xà trước.

9


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 9 Kết cấu cánh

2.2.3 Bề mặt cánh
Thông thường, bề mặt trên một cánh được thiết kế để mang một phần tải
trọng của chuyến bay và tải trọng mặt đất kết hợp với các xà dọc và xà ngang. Đây
được biết đến như một thiết kế bề mặt chịu ứng suất. Phần cánh đúc rỗng hoàn toàn
bằng kim loại, được minh họa trong Hình cho thấy cấu trúc của một thiết kế như
vậy. Việc khơng có thêm trụ chống bên ngồi địi hỏi bề mặt phải chịu một phần tải,
Lưu ý bề mặt bị cứng để hỗ trợ chức năng này.
Nhiên liệu thường được mang bên trong cánh của một chiếc máy bay chịu
ứng suất bề mặt. Các khớp trong cánh có thể được bịt kín bằng chất trám chịu nhiên
liệu đặc biệt cho phép nhiên liệu được lưu trữ trực tiếp bên trong kết cấu. Đây được
gọi là thiết kế cánh ướt. Cách khác, bể chứa nhiên liệu có thể được lắp bên trong
cánh. Hình 1-36 cho thấy một phần cánh với thiết kế cấu trúc dầm như thế có thể
tìm thấy trong một máy bay loại vận tải. Cấu trúc này tăng sức mạnh trong khi
giảm trọng lượng. Việc bịt kín đúng cấu trúc cho phép nhiên liệu được lưu trữ
trong các phần hộp của cánh. Bề mặt cánh trên máy bay có thể được làm từ nhiều
loại vật liệu như vải, gỗ hoặc nhôm. Nhưng một tấm vật liệu mỏng không phải lúc
nào cũng được sử dụng. Bề mặt nhơm hóa học có thể cung cấp cho bề mặt có độ
dày khác nhau.

10

Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 10 Bề mặt cánh

Trên máy bay có thiết kế cánh chịu ứng suất, các tấm cánh có cấu trúc tổ ong
thường được sử dụng làm bề mặt. Một cấu trúc tổ ong được xây dựng từ một vật
liệu cốt lõi giống như tổ ong của ong được ép hoặc kẹp giữa các tấm bề mặt mỏng
bên ngồi. Hình minh họa các tấm tổ ong và các thành phần của chúng. Các tấm
hình thành như thế này nhẹ và rất mạnh. Chúng có nhiều cách sử dụng trên máy
bay, chẳng hạn như tấm sàn, vách ngăn và bề mặt điều khiển, cũng như bề mặt
cánh. Hình cho thấy vị trí của các tấm cánh xây dựng tổ ong trên máy bay vận tải
phản lực. Một bảng tổ ong có thể được làm từ nhiều loại vật liệu. Tổ ong lõi nhôm
với lớp vỏ ngồi bằng nhơm là phổ biến. Nhưng tổ ong trong đó cốt lõi là kết cấu
Arimidiber và các tấm bên ngoài được phủ Phenolic thường là tốt. Trên thực tế, vô
số các kết hợp vật liệu khác như sử dụng sợi thủy tinh, nhựa, Nomex Kevlar và sợi
carbon đều tồn tại. Mỗi cấu trúc tổ ong sở hữu các đặc điểm độc đáo tùy thuộc vào
vật liệu, kích thước và kỹ thuật sản xuất được sử dụng. Hình cho thấy tồn bộ cạnh
đầu cánh được hình thành từ cấu trúc tổ ong.

11


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 11 Kết cấu hộp

3. Tính tốn thiết kế
3.1 Các thơng số kết cấu cánh
Cánh chính là bộ phận quan trọng của máy bay, là bộ phận chủ đạo tạo ra lực
nâng cho máy bay, nếu khơng muốn nói là tồn bộ. Đối với các mẫu UAV sử dụng

năng lượng mặt trời thì khu vực này cịn là vị trí lắp đặt các cell pin mặt trời để sinh
ra điện năng cung cấp cho tồn hệ thống. Vì vậy thiết kế cánh là một công đoạn rất
quan trọng, với nguyên tắc là nhẹ nhất có thể nhưng vẫn đảm bảo đủ bền, đủ khả
năng chống uốn và chống xoắn trong quá trình vận hành bay và bảo vệ tối đa cho
các trang thiết bị bên trong cánh.
Khung xương là kết cấu quan trọng của cánh, giúp định hình hình dạng của
cánh. Các profile cung cấp hình dạng khí động cho cánh để có thể tạo ra lực nâng.
Các profile sẽ được liên kết với nhau thông qua các thanh ngang spar và các ống
dầm, tạo thành bộ khung xương của cánh, đóng vai trò cơ bản trong chịu lực. Các
thanh spar cũng đều sử dụng vật liệu carbon nhằm đảm bảo nhẹ nhưng vẫn đủ độ
bền.
Khung xương cánh có 11 thanh sườn tạo hình và gia cường bề mặt. Bề dày
mỗi tấm lấy sơ bộ là 20 mm. Để giảm tối đa trọng lượng, kht các thanh sườn tại
vị trí khơng chịu tải. Đồng thời tạo lỗ để cắm các thanh xà và dầm. Do hình dạng
12


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV
cánh có hình chữ nhật ở đầu và giữa, hình thang ở đầu mút cánh nên các thanh
sườn có hình dạng nhỏ dần theo đó nhưng độ dày thì khơng đổi. Các thanh sườn
này được chế tạo bằng composite.

Hình 12 Các thanh sườn cánh

Sử dụng một thanh dầm spar chữ I làm bằng composite tại vị trí 25% dây
cung từ mép vào. Thanh chữ I có chiều cao 36 mm, dày 2 mm, rộng 30 mm. Thanh
chữ I có khả năng chịu tải tốt với trọng lượng nhẹ do ứng dụng kết cấu sandwich
khiến tối ưu khả năng chịu tải của vật liệu. Tại vị trí 25% lực khí động tác động chủ
yếu làm uốn cánh máy bay vì vật đây là vị trí cần được gia cường. Với việc sử dụng
thành chữ I đứng tại vị trí đó khiến khả năng chịu uốn của cánh tốt hơn thanh trụ

tròn.

13


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
Tại gần mép vào của phần cánh bên trong sử dụng thanh trụ trịn làm bằng
Carbon có đường kính D=25 mm, dày 2 mm, dài 1,8 m để tăng cứng trước lực khí
động tác động trực tiếp tới mép vào của cánh. Với mép vào của phần cánh bên
ngoài và mép ra của phần cánh bên trong, sử dụng ống carbon có đường kính D =
12,5 m và dài 1,2 m, chiều dày 2 mm. Hai phần cánh được nối với nhau bằng ống
carbon có đương kính D = 18 mm dài 1,8 m dày 2 mm.

Hình 13 Thanh Carbon

Đối với máy bay cánh composite carbon, lớp phủ vỏ cánh được chế tạo từ
vải carbon ép nhựa epoxy, giúp cho ra đời tấm phủ vỏ cánh có hình dạng và kích
thước chính xác theo yêu cầu với tuổi thọ và độ bền cao, khả năng chịu lực và ứng
14


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
suất tốt trong khi rất mỏng và nhẹ, độ dày vỏ cánh chỉ khoảng 0,2÷2 mm. Ngồi ra,
trong trường hợp máy bay gặp tai nạn thì mức độ bảo vệ của vỏ cánh đối với kết
cấu máy bay và các thiết bị bên trong cũng sẽ tốt hơn nhiều.
Đối với máy bay cánh gỗ, lớp phủ vỏ cánh được chế tạo từ gỗ balsa mỏng
bọc ngoài khung xương và sử dụng decal để dán phủ ngoài cùng. Ưu điểm của cách
làm này là đơn giản, nhanh chóng, tiện lợi và khơng địi hỏi nhiều trang thiết bị.
Tuy nhiên chúng lại có nhược điểm lớn là tuổi thọ và độ bền rất thấp, dễ bị phá hủy
và gần như khơng có vai trị gì trong chịu lực, chịu ứng suất

Với vỏ cánh bằng composite carbon, vấn đề chịu lực và ứng suất sẽ được san
sẻ đều hơn giữa vỏ cánh và khung xương cánh. Đây cũng là một tác nhân quan
trọng để giảm mật độ profile cánh.
3.2 Chọn vật liệu
3.2.1 Vật liệu Composite:
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 khơng rất dài, có thể tính bằng
ngày. Bởi vậy, việc giảm tải trọng kết cấu thiết bị bay là một đòi hỏi cấp thiết. Một
trong những phương pháp giảm khối lượng kết cấu là sử dụng vật liệu composite.
Loại vật liệu này khác với các vật liệu truyền thống như hợp kim nhôm bởi khối
lượng riêng nhỏ hơn hẳn. Vật liệu composite cũng có tính chất dị hướng tùy thuộc
vào tổ hợp hướng sợi khác nhau. Tính chất dị hướng của kết cấu từ vật liệu
composite đã được sử dụng khi thiết kế máy bay có cánh mũi tên ngược. Tính chất
này cho phép gắn biến dạng uốn với biến dạng xoắn của cánh qua đó tác động đến
tải trọng. UAVs thường có cánh thẳng độ dãn dài lớn, do đó hiệu ứng giảm tải từ
đi cánh khơng xảy ra giống như trường hợp cánh mũi tên ngược, do vậy khơng
thể giảm mơ men uốn tính tốn.
15


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
Thành Phần Và Cấu Tạo:
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được
phân bố trong một pha liên tục duy nhất. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm
trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix),
thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt
hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính,
tính kết dính, chống mịn, chống xước ...

o

Thành phần cốt:

Nhóm sợi khống chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm sợi tổng hợp
ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Các nhóm sợi khác ít
phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ
dừa,...; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic,...; sợi nhựa tổng hợp: sợi
polyeste (tergal, dacron, térylène, ..), sợi polyamit,...; sợi kim loại: thép, đồng,
nhôm,...
SỢI THUỶ TINH
Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt),
có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược
điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học
hơn. Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khống chất như: silic,
nhơm, magiê, ... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn
điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi
thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao).
Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng
trong các ứng dụng riêng biệt.
SỢI BAZAN
16


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
SỢI HỮU CƠ
Các loại sợi hữu cơ phổ biến:
Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công
bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10°C), tiếp theo được kéo ra thành
sợi trong dung dịch, cuối cùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi

kenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora,... có giá thành
thấp hơn sợi thủy tinh như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ
bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp.
SỢI CACBON
Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo
thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử
cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng,
với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A°. Sợi cacbon có cơ
tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu
nhiệt cực tốt.
SỢI BOR
Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ
phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây
sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải
đồng phương.
SỢI CACBUA SILIC
Sợi Cacbua Silic (cơng thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu
được nhờ kết tủa.
SỢI KIM LOẠI
17


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
SỢI NGẮN VÀ CÁC HẠT PHÂN TÁN
CỐT VẢI
Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện
bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải chuyền thống thường hay dùng là: kiểu
dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt
đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt
cao cấp cịn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải

đa phương.
o

Vật Liệu Nền

CHẤT LIỆU NỀN POLYME NHIỆT RẮN
Nhựa polyeste và nhóm nhựa cơ đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa
amin, nhựa epoxy.
CHẤT LIỆU NỀN POLYME NHIỆT DẺO
Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như: PVC, nhựa polyetylen, nhựa
polypropylen, nhựa polyamit,...
CHẤT LIỆU NỀN CACBON
CHẤT LIỆU NỀN KIM LOẠI
Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rất cao có thể lên tới 110
GPa. Do đó địi hỏi chất gia cường cũng có modun cao. Các kim loại được sử dụng
nhiều là: nhôm, niken, đồng.
o
-

Phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite polyme
Vật liệu composite cacbon-cacbon
Vật liệu composite gốm
Vật liệu composite kim loại
Vật liệu composite tạp lai
18


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
o

o

Công nghệ chế tạo
Công nghệ khuôn tiếp xúc
Lát tay
Phun
Lát máy
Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi
Khuôn chân không
Khuôn chân không- autoclave
Khuôn ép diaphragm
Cơng nghệ dập trong khn
Dập trực tiếp
Dập đúc
Dập ép nóng
Cơng nghệ quấn
Máy quấn
Công nghệ pulltrusion
Ưu nhược điểm của composite:

Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân
bố và các vật liệu thành phần đẻ tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong
muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại (như nhẹ, lại chịu được
nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu
composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới.
Ưu điểm của vật liệu composite được tổng hợp dưới đây:
-

Khối lượng riêng nhỏ, độ bền cơ học cao, độ cứng vững và uốn kéo tốt.
Khả năng chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao, cách điện và

-

cách nhiệt tốt.
Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mịn cao, khơng gây tốn kém trong

-

bảo quản, không cần phải sơn phủ chống ăn mịn.
Gia cơng và chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi và sửa chữa, chi

-

phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và chi phí bảo dưỡng thấp.
Tuổi thọ sử dụng cao (thời gian sử dụng dài hơn kim loại, gỗ khoảng 2-3 lần)

Bên cạnh những điểm ưu việt của vật liệu composite, chúng ta vẫn cần biết đến
những nhược điểm của loại vật liệu này để ứng dụng phù hợp:
19


-

Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV
Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong q trình sản

-

xuất.
Giá thành ngun liệu thơ tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời

-

gian.
Phức tạp trong phân tích cơ, lý, hóa tính của mẫu vật.
Chất lượng vật liệu bị phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân

Trong bài thiết kế này sử dụng các vật liệu composite cacbon sau:
-

Epoxy Carbon UD Pregreg

Đây là vật liệu composite có lớp nền polymer nhiệt rắn là Epoxy gia cường bằng
sợi Carbon đơn hướng có độ cứng là 230 GPa. Vật liệu này có lớp cốt Carbon được
tiền tẩm cùng lớp nền nhựa được xử lý nhiệt với tỉ lệ nhất định. Vật liệu composite
với lớp cốt được “pregreg” có khả năng chịu nhiệt độ và áp suất cao. Ưu điểm của
vật liệu này gồm:
o
o
o
o
o

Tối ưu độ bền
Đồng nhất và thành phần và có tính đa lớp tương đồng
Ít lộn xộn và lãng phí
Thời gian lưu hóa ít hơn
Chất lượng thẩm mỹ tốt hơn

Nhược điểm:

o
o
o

Giá thành cao
Thời hạn lưu trữ thấp
Cần xử lý nhiệt

Ứng dụng:
o
o

Máy bay dân dụng, thiết bị hàng không, máy bay trở hàng
Thiết bị bay không người lái.

20


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 14 Thơng số vật liệu Epoxy Carbon UB (230 GPa) Prepreg

Hình 15 Thông số vật liệu

-

Epoxy Carbon Woven Pregreg
21

Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
Cũng giống với Epoxy Carbon UD Pregreg ở các đặc tính về lớp nền và cách chế
tạo lớp cốt. Nhưng vật liệu này có lớp cốt được chế tạo theo dạng đan sợi. Vì vậy
các sợ Carbon sẽ có 2 hướng. Sợi Carbon Woven có độ bền bằng một nửa so với
UD. Việc dệt vải tạo thành các sợi và chúng liên tục được uốn cong theo hình dạng
S. ĐẾN để đi qua lại với nhau. Khi lực được tác dụng lên vải dệt, các sợi sẽ uốn
cong và cố gắng duỗi thẳng ra làm giảm độ bền và độ cứng. Sợi UD nằm phẳng và
khơng có uốn cong khi tác dụng lực.
Thông số vật liệu Epoxy Carbon Woven (230 GPa) Pregreg

22


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 16 Thông số vật liệu Epoxy Carbon Woven (230 GPa) Pregreg

23


Thiết kế cánh máy bay khơng người lái UAV

Hình 17 Thông số vật liệu

3.2.2 Gỗ Balsa:
Là gỗ của cây balsa, sống trong rừng rậm nhiệt đới ở trung và nam Mỹ.
Gỗ balsa có trọng lượng chỉ 40 kg/m 3 nhưng rất mạnh mẽ, cứng chắc, đó là nhờ
tính năng kết hợp hiệu quả cao của các sợi cellulose và lignin. Gỗ balsa đang được
ứng dụng chế tạo cánh quạt cho turbine gió, khung gầm máy bay mơ hình và phần
thân máy bay trực thăng.

Tại sao gỗ balsa nhẹ, bạn cần phải xem nó với kính hiển vi. Tế bào của nó rất to
nhưng thành thì mỏng. Đa số các cây khác thì nó nặng do chất nhựa kết dính gọi là
lignin dùng để kết hợp các tế bào lại với nhau. Với cây balsa thì lignin rất ít. Cây
balsa chỉ có khoảng 40% là chất rắn, để có được sức mạnh đứng thẳng thì cây balsa
chứa nước trong tế bào của nó làm cho nó trở nên cứng – giống như bạn bơm hơi
cho bánh xe vậy. Với cây balsa cịn xanh, so sánh về trọng lượng thì lượng nước
trong cây balsa nặng gấp 5 lần phần gỗ của chính nó. Cịn các cây gỗ cứng khác thì
tỉ lệ nước trong gỗ ít hơn nhiều (so với chính bản thân cây gỗ đó). Chính vì vậy
trước khi đem bán, gỗ balsa phải được nung trong lò trong 2 tuần để tách nước ra
24


Thiết kế cánh máy bay không người lái UAV
khỏi tế bào gỗ, cho đến khi lượng hơi ẩm chỉ còn 6%. Nung trong lị cũng để diệt
cơn trùng, vi khuẩn, nấm trong cây khi cịn xanh.

Hình 18 Gỗ Balsa

Sau khi nung thì trọng lượng của balsa nằm trong khoảng 6 đến 18 cân Anh
(2.2 cân Anh = 1 kg) cho 1 ft3 (1 m=3.281 ft, bạn cứ tính thì biết được 1 ft 3). Thơng
thường thì người ta sử dụng loại từ 8 đến 12 cân Anh (pound) là loại trung bình và
được sử dụng rộng rãi.
Quy đổi ra thì trọng lượng riêng gỗ Balsa khoảng 9.1 kg/m3
Ba loại thớ gỗ balsa:
-

Loại A: có sợi dài, nó rất mềm dẻo có thể uốn cong dể dàng. Sử dụng để bọc
xung quanh thân và cánh. Không sử dụng cho các bề mặt đuôi hay mặt
phẳng đứng, khung.

25