Ứng dụng phương pháp số trong tính toán kết cấu máy bay

Chương IV : Lắp ghép và thử nghiệm
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------o0o------

BÀI TẬP LỚN
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG
TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀNG KHƠNG

Sinh viên thực hiện:

1. Nguyễn Hồng Anh - 20150096
2. Nguyễn Khắc Thái

- 20153349

3. Nguyễn Tuấn Hùng - 20151804
4. Nguyễn Duy Anh

- 20150088

Lớp Kỹ thuật Hàng không – k60
Giáo viên hướng dẫn:

TS. Vũ Đình Quý
1
HÀ NỘI, 06/2019


Báo Cáo Mơn Ứng Dụng PP Số Trong Tính Tốn Kết Cấu Hàng KHông

MỤC LỤC

2


Báo Cáo Mơn Ứng Dụng PP Số Trong Tính Tốn Kết Cấu Hàng KHơng

Danh mục hình ảnh

3


I. THIẾT KẾ MƠ HÌNH CÁNH UAV
1. Kết cấu cánh
•

Cấu tạo cánh: Cánh máy bay cơ bản hiện nay thường có cấu tạo bao

gồm khung, dầm và lớp vỏ (monocoque).
• Kết cấu cánh:
Tùy thuộc vào loại mơ hình cần xây dựng, tài ngun sẵn có, cơng nghệ
chế tạo và trình độ của người thiết kế, ta có thể xây dựng được nhiều loại cấu
trúc cánh khác nhau, mỗi loại lại có các tính năng, ưu và nhược điểm riêng.
Một trong số những loại kết cấu cánh đơn giản nhất là kết cấu khung sườn
và dầm khơng có tấm ốp (non-sheeted rib and spar), như ta thấy ở Hình 1a.
Nó chỉ đơn giản bao gồm một dầm dọc, với các khung sườn có hình dạng
giống hệt biên dạng cánh. Hầu hết các kết cấu là rỗng để làm cho cánh nhẹ
hơn. Hình dạng của cánh cuối cùng sẽ được định hình bởi lớp vỏ, thường làm
từ vật liệu nhựa co nhiệt (heat-shrinking plastic). Lớp vỏ này sẽ góp phần làm

tăng độ cứng của cánh, nhưng nó phải được phủ lên cẩn thận để không làm
cho kết cấu bị cong vênh do quá trình co lại của vật liệu. Tuy nhiên, vì có các
đặc điểm như trên nên loại kết cấu cánh này có tính đàn hồi rất lớn, và khơng
có khả năng chịu được tải khí động cao.
Một loại kết cấu cánh khác cũng thường được sử dụng trong các mô hình
máy bay là cánh có tấm ốp (hay “bán ốp” - semi-sheeted wing). Khác với kết
cấu cánh trước, nó có thêm tấm ốp phủ lên một phần của khung dầm, với hình
dạng giống với biên dạng của cánh máy bay. Kiểu kết cấu cánh này được biểu
diễn trong Hình 1b. Bên trong tấm ốp có thể được để rỗng hoặc lấp đầy bởi
một số vật liệu như xốp. Kết cấu cánh này nặng hơn so với kết cấu khung
sườn và dầm khơng có tấm ốp, nhưng lại chịu được tải trọng cao hơn do độ
cứng được tăng thêm. Đồng thời, nó cũng cho phép lực được truyền đến thân
máy bay tốt hơn nhờ có tấm ốp.


Hình 1: Kết cấu khung sườn và dầm khơng có tấm ốp

Hình 2: Cánh có tấm ốp dạng hộp chữ D

Còn một loại kết cấu nữa được gọi là cánh được ốp toàn bộ (fullysheeted wing), với kết cấu khung sườn và dầm bên trong như bình thường,
hoặc có lõi xốp. Đây là loại cánh khó chế tạo, địi hỏi người thiết kế cần phải
có kỹ năng cao. Kết cấu này nặng hơn cả hai loại trước đó, đặc biệt là khi sử
dụng lõi xốp, và nó cũng khơng mang lại sự cải thiện đáng kể hơn cho cánh vì
độ cứng của nó khơng thay đổi nhiều. Một ví dụ về cánh được ốp tồn bộ có
thể được thấy ở Hình 2a dưới đây.


Hình 3: Cánh được ốp tồn bộ

Hình 4: Cánh Jedelsky

Cánh Jedelsky là một loại cấu trúc khác thường được sử dụng trong các mơ
hình máy bay, tàu lượn. Cấu trúc cánh này được tạo ra bằng cách nối hai tấm
gỗ balsa, xốp, hoặc các vật liệu khác, theo một góc nghiêng đã cho sẵn. Hình
2b cho thấy một ví dụ về cánh Jedelsky. Kiểu cấu trúc cánh này mặc dù rất
nhẹ, rất linh hoạt nhưng không thể chịu được tải khí động cao. Chính vì lý do
này mà nó chủ yếu được sử dụng trong tàu lượn.
Trên đây là những cấu trúc cánh chính được sử dụng trong các mơ hình
máy bay. Đơi khi, chúng được kết hợp với nhau để tạo ra các cấu trúc cánh
lai, với đặc điểm mang mỗi thứ một chút từ loại cấu trúc chính.

2. Các thông số thiết kế.
Khi thiết kế cánh mới cho máy bay, trước tiên người ta cần quan tâm
tới các khía cạnh về khí động học của cánh, cịn cấu trúc cánh sẽ đ ược
tính đến sau. Như vậy, bước đầu tiên được th ực hiện trong quy trình
thiết kế cánh là chọn một biên dạng cánh phù hợp với nhu cầu c ủa máy
bay, theo nhiệm vụ mà nó phải thực hiện. Lựa chọn này sẽ xác đ ịnh h ệ


số lực nâng tối đa () có thể đạt được. Một số yếu tố sẽ ph ải đ ược tính
đến trong giai đoạn này, như là bán kính mép trước của cánh, và tỷ lệ tối
đa giữa độ dày và dây cung . Giá trị tối ưu nhất cho là khoảng 14%, d ựa
trên dữ liệu thu thập từ các biên dạng cánh máy bay được s ử dụng ph ổ
biến nhất. Việc lựa chọn cực kỳ quan trọng trong kết c ấu, vì nó quy ết
định độ dày của biên dạng cánh, từ đó tác động đến cách ứng x ử c ủa
cánh trong các điều kiện bay khác nhau. Cánh càng dày thì độ c ứng
chống uốn của nó càng lớn, cho phép các thành phần k ết cấu c ủa cánh
được thiết kế nhẹ hơn. Khi lựa chọn hoặc chế tạo cánh máy bay, đ ộ
vồng cũng cần phải được xem xét. Nó chuyển góc tấn t ừ khơng sang giá
trị âm, có nghĩa là máy bay sẽ có khả năng tạo ra l ực nâng, th ậm chí khi
đang ở góc tấn .

Sau khi đã lựa chọn được biên dạng cánh và tính tốn hết tất c ả các
yếu tố được trình bày ở trên, ta sẽ xem xét đến các khía cạnh ba chi ều
của cánh. Hình dạng cánh sẽ được chọn dựa theo hệ số dãn dài của cánh
đã cho sẵn. Hệ số này càng chính xác thì sẽ càng tác đ ộng tích c ực đ ến
hiệu suất của cánh. Tuy nhiên, cánh có hệ số dãn dài cao l ại mang đ ến
một số vấn đề về cấu trúc, vì nó làm cho độ dài sải cánh tr ở nên quá l ớn.
Các góc quét cánh cũng cần phải được chọn sao cho phù hợp. Điều này
đặc biệt quan trọng đối với các loại máy bay có vận tốc Mach cận âm trở
lên, vì nó làm giảm tỉ số Mach có ích được đo ở mép tr ước cánh, d ẫn đến
giảm lực nâng được tạo ra. Do đó, việc bổ sung góc quét ch ỉ đ ược xem
xét cho các loại cánh máy bay có tỉ số = 0,4 trở lên.
Sau khi đã thực hiện xong tất cả các lựa chọn trên, hệ số l ực nâng ba
chiều và lực cản tác động lên cánh sẽ được ước tính. Tồn bộ quá trình
này sẽ được thực hiện lặp đi lặp lại cho đến khi đạt đ ược k ết qu ả nh ư
mong muốn.
Khi đã hoàn thiện tất cả các bước trên, ta có thể chuy ển sang thi ết k ế
kết cấu cho cánh. Quá trình thiết kế này bắt đầu bằng việc ước tính
những tải trọng mà cánh phải chịu, và xem xét hệ số tải trong các giai
đoạn hoạt động khác nhau của máy bay. Cụ thể, hệ số tải thiết kế sẽ
được tính bằng cách nhân hệ số tải giới hạn - được biểu th ị trên s ơ đ ồ
V-n, với hệ số an toàn (sf):
Sau khi đã tìm ra hệ số tải thiết kế, ta sẽ xác định được tải trọng phân
tán dọc theo cánh.


Dựa trên các dữ liệu thu được từ việc tính tốn khí động học và kích
thước ban đầu của cánh ở các phần trước, ta có thể thu đ ược các giá tr ị
xấp xỉ khác nhau của sự phân bố lực nâng trên bề rộng cánh. C ụ th ể là
khi xét một tấm dạng elip, sự phân bố đó sẽ được tính theo cơng th ức:
Trong đó L đại diện cho lực nâng tổng th ể, b là s ải cánh và y là t ọa đ ộ

theo chiều ngang, được đo từ gốc cánh đến đầu mút cánh.
Sau bước này, các lực khác tác động lên cánh sẽ đ ược ước tính. Tr ọng
lượng cánh, nhiên liệu, trọng lượng động cơ (khi bình nhiên li ệu và đ ộng
cơ được đặt trên cánh) là các tải trọng sẽ được xét đến ở giai đo ạn này.
Khi đã biết tất cả các lực này, ta có thể đưa ra m ột phân tích cụ th ể v ề
lực cắt sơ bộ và mômen uốn, bằng cách coi cánh nh ư là m ột dầm côngxơn được cố định (ngàm) ở gốc cánh. Thông thường, s ơ đồ s ự phân bố
của lực cắt và mômen uốn theo chiều rộng cánh sẽ được vẽ ra, cho phép
nhận dạng vị trí các điểm dọc theo cánh mà phải chịu áp lực lớn.
Q trình cịn lại bao gồm thiết kế thực tế các kết cấu bên trong. Điều
này phụ thuộc vào loại máy bay đang cần được xem xét, vì m ỗi lo ại thi ết
kế kết cấu khác nhau lại đem đến những ưu và nhược điểm khác nhau.
Việc xác định thông số thiết kế cho máy bay là vô cùng quan tr ọng, vì
trong suốt quá trình thiết kế, sẽ có nhiều thay đổi v ề kết cấu đ ược th ực
hiện. Một quy trình thiết kế thơng số cho phép điều ch ỉnh nhanh chóng
mơ hình CAD, mà khơng cần phải bắt đầu lại tồn bộ q trình.
Để giải quyết vấn đề này, trước hết cần phải xác định các thơng số
thiết kế chính. Sau đó, người ta sẽ xem xét đến các thi ết k ế c ấu trúc d ự
kiến được sử dụng, để hiểu được đầy đủ các tính năng của nó.
Bằng cách xem xét nhiều loại cấu trúc khác nhau, ng ười ta có th ể xác
định rằng chúng có chung một số tính năng. Ngoại trừ cánh Jedelsky, có
thể thấy rằng cả cấu trúc cánh có tấm ốp và cánh khơng có tấm ốp đều
có các khung sườn dọc theo chiều dài sải cánh. Những đặc điểm kết c ấu
này có vai trị rất quan trọng, và sẽ luôn xuất trong các bản thiết k ế c ủa
cánh máy bay. Tuy nhiên, số lượng khung sườn và kho ảng cách gi ữa
chúng cũng có thể khác nhau. Như vậy, khoảng cách giữa các khung sườn


sẽ là một trong những tham số được xem xét đến, và dùng để xác đ ịnh s ố
lượng các khung sườn dọc theo hướng sải cánh.
Về khung sườn, hình dạng của chúng sẽ tương tự như biên dạng cánh,

vì các yếu tố kết cấu này sẽ quyết định hình dạng cho cánh. Tuy nhiên,
một số vị trí trên bề mặt khung sườn có thể được kht rỗng, khơng chỉ
để các dây cáp cần thiết cho hệ thống điều khiển luồn qua, mà còn giúp
giảm trọng lượng tổng thể cho cánh. Tham số đại diện cho tổng diện
tích bị khoét rỗng bên trong khung sườn sẽ được gọi là . Ngoài ra, đ ộ dày
của khung sườn cũng là một tham số khác cần được xem xét.
Một thành phần phổ biến khác của các loại kết cấu cánh đ ược trình
bày ở trên là dầm dọc cánh (hay xà dọc cánh). Dựa vào tiết diện c ủa
dầm, ta có thể xác định được nhiều thông số khác nhau, và nh ững thơng
số này sẽ quyết định kích thước của dầm.

Hình 5: Tiết diện của dầm
Bằng cách gán giá trị cho các thơng số trên, ta có th ể điều ch ỉnh chi ều
dài và độ dày của dầm. Phương pháp này cũng có thể tạo ra m ột d ầm có
tiết diện hình chữ nhật, hoặc là cả hình chữ T.
Đối với vị trí của khung sườn so với dây cung cánh, ta sẽ tìm đ ược
tham số đặc trưng cho khoảng cách từ mép trước cánh t ới v ị trí đặt
dầm.
Đối với dầm trịn, các tham số sẽ giúp ta xác định được đường kính
ngồi , đường kính trong , cũng như vị trí của nó so với dây cung cánh .


Việc khơng có góc nhị diện sẽ được xem xét. Vì góc xoắn là c ần thi ết
để dịng xốy ở đầu mút cánh đạt tới giá trị theo yêu cầu, nó sẽ đ ược t ạo
ra bằng cách điều chỉnh góc đặt cánh,.
Bảng dưới đây tóm tắt các tham số được trình bày ở trên. Tùy thu ộc
vào các phần trong thiết kế, các tham số liên quan sẽ đ ược ch ọn và s ử
dụng, cho phép điều chỉnh nhanh chóng kích thước tổng thể các bộ phận
của cánh.

Thông số được diễn tả
Sải cánh
Gốc dây cung
Đầu mút dây cung
Khoảng cách giữa các khung sườn
Độ dày của khung sườn
Độ rỗng của khung sườn
Độ dài của gân tăng cường
Độ dày của gân tăng cường
Độ dài của mặt bích trên
Độ dày của mặt bích trên
Độ dài của mặt bích dưới
Độ dày của mặt bích dưới
Vị trí của dầm (dọc) theo hướng dây cung
Bán kính ngồi của dầm trịn
Bán kính trong của dầm trịn
Vị trí của dầm trịn theo hướng dây cung
Góc đặt cánh
Bảng tóm tắt các thơng số của cánh

Kí hiệu
b


3. Các bước thiết kế.
A. Bài toán :

Thiết kế và kiểm bền kết cấu cánh cho UAV với thông số hình học cánh:

Hình 6: Kích thước cánh (m)

Hình 7: Profile cánh Eppler 212

Góc đặt cánh 4º
Vận tốc hành trình: 25m/s
Khối lượng cất cánh tối đa: 12kg
B. Tạo profine cánh:
-

Hình 8: Tạo profine cánh
C. Thiết kế các khung sườn, dầm và lớp vỏ trên Solidwork:
• Khung sườn:
- 6 khung sườn đồng nhất nằm ở khu vực cánh có tiết diện khơng đổi, 4

khung sườn tiết diện thay đổi nằm ở khu vực cánh hình thang.


-

Chiều dày mỗi khung sườn bằng 10 mm. 6 khung sườn đầu mỗi cái

-

cách nhau 360mm, 4 khung sườn sau mỗi cái cách nhau 300mm.
Khoét dãy lỗ hình chữ I qua 7 khung sườn đầu và dãy lỗ hình chữ nhật

-

qua 6 khung sườn đầu cho hai thanh dầm chính đi qua.
Kht các lỗ rỗng hình trịn nhỏ bán kính 8 mm, 10 mm và 12 mm ở

các khung sườn tại khu vực hình thang (như hình 9) để các thanh dầm

-

phụ đi qua.
Kht các lỗ rỗng hình trịn to giúp giảm khối lượng kết cấu, bán kính
25 mm và 30 mm (như hình 9).

Hình 9: Thiết kế các khung sườn
•

Dầm:
- Dầm chính thứ nhất hình chữ I dài 2110 mm, kích thước như trong hình


Hình 10: Mặt cắt ngang dầm chính hình chữ I

Hình 11: Tồn cảnh dầm chính hình chữ I
-

Dầm chính thứ hai hình hộp chữ nhật, rỗng ở trong, dài 1800mm , kích
thước như trong hình (mm):


Hình 12: Mặt cắt ngang dầm chình hình hộp chữ nhật

Hình 13: Tồn cảnh dầm chính hình hộp chữ nhật

-

Dầm phụ thứ nhất hình trụ trịn, rỗng ở trong, dài 900mm, bán kính
ngồi 12mm, bán kính trong 8mm.


Hình 14: Mặt cắt ngang dầm phụ hình trụ trịn thứ nhất

Hình 15: Tồn cảnh dầm phụ hình trụ trịn thứ nhất

-

Dầm phụ thứ hai hình trụ trịn, rỗng ở trong, dài 620mm , bán kính
ngồi 10 mm, bán kính trong 6 mm.


Hình 16: Mặt cắt ngang dầm phụ hình trụ trịn thứ hai

Hình 17: Tồn cảnh dầm phụ hình trụ trịn thứ hai
-

Dầm phụ thứ ba hình trụ trịn, rỗng ở trong, dài 600mm, bán kính ngồi
8mm, bán kính trong 4mm.

Hình 18: Mặt cắt ngang dầm phụ hình trụ trịn thứ ba


Hình 19: Tồn cảnh dầm phụ hình trụ trịn thứ ba
•

Vỏ cánh: dày 2.5mm.

Hình 20: Thiết kế vỏ cánh
D. Thực hiện ghép các chi tiết vào với nhau tạo thành mơ hình hồn chỉnh:

Hình 21: Ghép các khung sườn và dầm với nhau tạo thành kết cấu cánh


Hình 22: Kết cấu cánh hồn chỉnh sau khi ghép thêm lớp vỏ

II. MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG
Để đánh giá tính chính xác của mơ hình mơ phỏng, các đường dịng, trường
áp suất phân bố trên cánh sẽ được xuất. Đồng thời lực nâng trên cánh sẽ được
tính chính xác để so sánh với thực tế.
Có thể thấy mơ hình đã mơ phỏng được các đường dịng qua cánh, đặc biệt
là hiện tượng xảy ra xoáy tại đầu mút cánh. Xoáy đầu mút này ảnh hưởng đến
một phần lực nâng tác dụng lên cánh.


Hình 23: Đường dịng qua cánh

Hình 24: Xốy tại đầu mút cánh


Hình 25: Phân bố ứng suất mặt trên cánh

Hình 26: Phân bố ứng suất mặt dưới cánh
Mơ hình đã chỉ ra được sự thay đổi áp suất trên hai bề mặt cánh. Mặt dưới
cánh áp suất phân bố đồng nhất, ngoại trừ khu vực đầu mũi cánh áp suất bị
giảm đi do tác dụng của xốy. Trong khi đó, mặt trên cánh áp suất thay đổi
theo đường phi tuyến. Chính điều này đã tạo ra lực nâng cho cánh.
Giá trị lực nâng tác dụng lên cánh được xác định bằng cách tạo một biến

lực theo phương y đặt tại cánh. Kết quả như hình bên dưới:


Hình 27: Giá trị lực nâng tác dụng lên cánh

III. MƠ PHỎNG KẾT CẤU
1. Xuất mơ hình vào ANSYS Mechanical.
Mơ hình cánh hồn chỉnh được nhập vào Module ANSYS Mechanical và
xử lý trong mơi trường Design Modeler.

Hình 28: Mơ hình cánh được nhập vào ANSYS
2. Chia lưới.
Ta không thể bỏ qua tầm quan trọng của việc chia lưới, bởi vì với lưới chia
q thơ, kết quả tính có thể bị sai nghiêm trọng; cịn với lưới chia q mịn, ta
có thể tiêu tốn rất nhiều thời gian tính và đơi khi không thể thực hiện được với


hệ thống máy tính hiện có. Cho nên trong mơ hình này mật độ lưới chia là 310 mm tùy theo từng khu vực, khu vực cánh được chia mịn để q trình tải
lực khí động cho kết quả phân bố lực tốt nhất.
Kết quả chia lưới cho mơ hình cánh được biểu diễn qua các hình dưới đây:

Hình 29: Lưới trên bề mặt cánh

Hình 30: Lưới trên kết cấu khung sườn và dầm

Hình 31: Lưới trên kết cấu khung sườn và dầm


3. Tải lực khí động tác động lên bề mặt cánh.
Sau khi đã chia lưới, ta sẽ đặt tải khí động lên bề mặt cánh. Các bề mặt

cánh trong mô phỏng kết cấu sẽ tương ứng với bề mặt của cánh trong mơ
phỏng khí động.
Hình 32 dưới đây là kết quả của tải lực khí động lên bề mặt cánh. Có thể
thấy áp suất tải đặt lên có sự tương đồng với áp suất khí động như đã mơ
phỏng ở chương II.

Hình 32: Áp suất khí động sau khi đặt tải lên bề mặt cánh

4. Đặt điều kiện biên.
Điều kiện biên được đặt bao gồm các vị trí ngàm và lực trọng trường.
Đối với liên kết ngàm, khu vực được ngàm bao gồm các mặt nằm tại gốc
cánh và các mặt nằm trên trục liên kết thân cánh.


Hình 33: Bề mặt ngàm
Đối với lực trọng trường, gia tốc trọng trường được đặt có độ lớn 9806.6
mm/s2, phương vng góc với bề mặt cánh, chiều ngược với trục Y. Gia tốc
trọng trường được đặt để xét đến cả ảnh hưởng của trọng lực đến ứng suất
trong cánh.

Hình 34: Gia tốc trọng trường trên cánh

5. Chọn vật liệu.
Kết cấu cánh sẽ được gắn vật liệu để mơ phỏng. Nhóm sẽ sử dụng các vật
liệu đẳng hướng cho kết cấu. Các vật liệu thông dụng cho UAV thường sử
dụng là thép, hợp kim nhôm, gỗ và vật liệu polyme (Epoxy cacbon)


Vật liệu thép, nhơm và polyme (Epoxy cacbon) đã có sẵn trong cơ sở dữ
liệu của ANSYS. Còn đối với gỗ balsa, ANSYS chưa có loại vật liệu này nên

nhóm sẽ tạo ra các thông số cho gỗ balsa trong mục “Engineering Data”. Các
thông số cơ bản được cho trong bảng dưới đây:
-

Thơng số vật liệu:

Hình 35: Bảng thơng số của gỗ Balsa

Hình 36: Bảng thơng số của Nhơm