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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
────── * ──────

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ
TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU
HÀNG KHÔNG
MÔ PHỎNG CÁNH MÁY BAY

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN TUẤN
NGUYỄN XUÂN SƠN
PHẠM VINH QUANG
NGUYỄN NGỌC QUỲNH
Giáo viên hướng dẫn: TS. VŨ ĐÌNH QUÝ

HÀ NỘI 05/2019


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ...........................................................................3
1.1 Giới thiệu chung.....................................................................................3
1.2 Biên dạng cánh.......................................................................................3
1.3 Kết cấu cánh...........................................................................................6
1.4 Bài toán cụ thể........................................................................................7
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CÁNH TRÊN PHẦN MỀM CATIA..................9
2.1 Thiết kế kết cấu cánh.............................................................................9
2.1.1 Thiết kế khung sườn cánh và các thanh xà....................................9
2.1.2 Thiết kế vỏ cánh..............................................................................11
2.1.3 Lắp ghép các chi tiết......................................................................12
CHƯƠNG 3. SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ LẤY
KẾT QUẢ.......................................................................................................13

3.1 Mơ phỏng khí động..............................................................................13
3.2 Mơ phỏng kết cấu.................................................................................16
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN.............................................................................28


CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Giới thiệu chung
- Máy bay thông thường được xây dựng từ các thành phần cơ bản như cánh,
thân, càng, cụm đuôi và các bề mặt điều khiển. Mỗi thành phần của máy bay
có một hoặc nhiều chức năng đặc thù và phải được thiết kế để đảm bảo có thể
thực hiện các chức năng một cách an tốn.
- Máy bay có thể bay được trong khơng khí là nhờ lực nâng tạo bở cánh.
- Cánh có thể được coi là thành phần quan trọng nhất của máy bay, vì máy
bay cánh cố định khơng thể bay mà khơng có nó.
- Chức năng chính của cánh là tạo ra lực nâng (L)
1.2 Biên dạng cánh
- Cánh máy bay có chức năng tạo ra lực nâng khi máy bay di chuyển nhanh
trong khơng khí.
- Cánh máy bay có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau
- Thiết kế cánh cần đáp ứng được các đặc tính bay mong muốn
- Khi hình dạng cánh thay đổi sẽ ảnh hưởng tới rất nhiều đặc tính của máy
bay như sự điều khiển, lực nâng sinh ra, sự cân bằng và sự ổn định
- Cánh máy bay có thể liên kết với thân ở các vị trí khác nhau, tưởng tượng
chiếu thân máy bay lên mặt phẳng vng góc với phương dọc của máy bay thì
vị trí liên kết có thể ở trên đỉnh, ở trung tâm hoặc dưới đáu hình tròn.



- Cánh máy bay có thể vng góc với thân hoặc tạo góc vểnh lên hay cụp
xuống một chút so với phương vng góc. Góc này đuộc gọi là góc chữ V của

cánh: Góc V sẽ ảnh hưởng đến độ ổn định ngang của máy bay


- Độ ổn định ngang là độ ổn định của máy bay xung quanh trục dọc của nó,
tức là độ ổn định chống xoay tròn – cho phép máy bay quay trở lại trang thái
cân bằng khi nó bị một tác động nhiễu động làm chao cánh máy bay.


1.3 Kết cấu cánh
Thiết kế cánh của mỗi loại máy bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
kích thước, khối lượng của máy bay, mục đích sử dụng, vận tốc khi bay và khi
hạ cánh, tốc độ bay leo
- Cánh máy bay được chia thành cánh trái và cánh phải, tương ứng với bên
trái và bên phải của người điều khiển khi ngồi trong buồn lái
Cánh thường được thiết kế dạng dầm công xôn thuần túy, tức là không
cần đến các thanh chống liên kết giữa cánh và thân máy bay. Cánh dạng dầm
cồn xôn được giữ cứng vững nhờ vào các thành phần kết cấu bên trong cánh
cùng với lớp vỏ chịu lực.

- Nhôm là vật liệu phổ biến được dùng để chế tạo cánh, tuy nhiên cánh cũng
có thể làm từ gỗ bọc vải hoặc đôi khi từ hợp kim magie. Các máy bay hiện đại
ngày nay hướng đến sử dụng các vật liệu nhẹ hơn và bền hơn trong chế tạo
kết cấu máy bay nói chung cũng như kết cấu cánh nói riêng. Cánh có thể được
chế tạo từ composite sợi cacbon hoặc các dạng composite khác.
- Kết cấu bên trong của hầu hết cánh máy bay bao gồm các xà dọc cánh (spar)
và các nẹp dọc (stringer) chạy dọc theo sải cánh, khung sườn cánh (rib),
khung định hình hoặc vách ngăn chạy theo hướng dây cung.

- Lớp vỏ, liên kết với các kết cấu bên trong cánh, chịu một phần lực tác động
trong quá trình bay. Lớp vỏ truyền ứng suất tới các khung sườn cánh và khung
sườn cánh lại truyền lực tới các thanh xà dọc cánh.
- Thông thường kết cấu cánh được dựa trên ba thiết kế cơ bản:
+ Cánh đơn dầm (monospar)
+ Cánh nhiều xà dọc (multispar)
+ Cánh dầm hộp (box beam)
1.4 Bài toán cụ thể
Thiết kế và kiểm bền kết cấu cánh cho UAV biết:
Thơng số hình học cánh:

Hình 1: Kích thước cánh (m)


Hình 2: Profile cánh Eppler 212
- Góc đặt cánh 4º
- Vận tốc hành trình: 25m/s
- Khối lượng cất cánh tối đa: 12kg

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CÁNH TRÊN PHẦN MỀM CATIA
2.1 Thiết kế kết cấu cánh
Nhóm thực hiện thiết kế trên phần mềm CATIA. Phương án thực hiện gồm
các bước:


 Thiết kế từng chi tiết của cánh. Các chi tiết bao gồm các khung sườn
(ribs), thanh xà (spars) và vỏ cánh (shell).
 Lắp ghép các chi tiết tạo thành kết cấu cánh hoàn chỉnh.
 Xuất bản vẽ sang ANSYS để mô phỏng.

2.1.1 Thiết kế khung sườn cánh và các thanh xà
- Khung sườn cánh được vẽ từ profile Eppler 212. Nhóm thiết kế tổng cộng
13 ribs. Trong đó, 8 ribs bằng nhau nằm ở khu vực cánh có tiết diện không
đổi, 5 ribs tiết diện thay đổi nằm ở khu vực cánh hình thang.
- Chiều dày mỗi rib bằng 15mm. 8 rib đầu mỗi rip cách nhau 235mm, 5 rib
sau.

Sơ đồ phân bố các rib
Sau khi đã phân bố xong vị trí các ribs, nhóm thiết kế các thanh xà chạy dọc
theo các ribs.
Các thanh xà được thiết kế là các ống rỗng hình trịn, bề dày 2mm. Các loại
ống xử dụng được cho bằng bảng dưới đây:
Loại ống

Chiều dài
(mm)

Φ20 (1)

2515

Φ8 (1)
Φ8 (1)
Φ10 (1)
Φ12 (1)

750
515
3000
2015

Vị trí kết nối
Rib 1-11, kết nối thân
cánh
Rib 10-13
Rib 11-13
Rib 1-13
Rib 1-9


I

1765
Rib 1-8
Bảng Kích thước các thanh xà của kết cấu.

Sau khi có ống và vị trí phân bố, các ribs sẽ được đục lỗ để gắn các ống vào.
Các chi tiết khung cánh được thể hiện ở hình.

Các khung sườn sau khi vẽ và đục lỗ. Từ trên xuống là các rib 1-13, vị trí
tương đối giữa các ribs với nhau


2.1.2 Thiết kế vỏ cánh
- Vỏ cánh được thiết kế với độ dày 2.5mm. Vỏ được thiết kế sao cho nó vừa
khít với kết cấu khung.

Chi tiết vỏ cánh
2.1.3 Lắp ghép các chi tiết
- Sau khi đã có đủ chi tiết, nhóm tiến hành lắp ghép tạo thành cánh có cấu tạo

hồn chỉnh. Kết quả được minh họa bằng hình bên dưới.

Kết cấu cánh sau khi ghép các thanh xà


Kết cấu cánh hoàn chỉnh

CHƯƠNG 3. SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ MƠ PHỎNG VÀ LẤY
KẾT QUẢ
3.1 Mơ phỏng khí động
Các bước mơ phỏng:
- Xây dựng mơ hình hình học
- Chia lưới
- Cài đặt các thông số vật lý
- Chọn mơ hình rời rạc hóa
- Chạy mơ phổng
- Kết quả
3.1.1 Xây dựng mơ hình hình học
- Mơ hình cánh sẽ được xây dựng bằng phần mềm CATIA.


- Tiếp theo, mơ hình sẽ được đưa vào phần mềm ANSYS để mơ phỏng khí
động. Nhóm sử dụng phiên bản ANSYS 18.2
3.1.2 Chia lưới:

3.1.3 Cài đặt các thông số vật lý và điều kiện biên
- Mơ hình rối được sử dụng trong bài là mơ hình Relizable K-epsilon
- Lưu chất là khơng khí:
3.1.4 Lựa chọn phương pháp rời rạc hóa và sai số hội tụ
3.1.5 Chạy mơ phỏng

3.1.6 Kết quả:

Sau khi mô phỏng, ta import lực do khí động gây nên và xét độ bền kết cấu
cánh.


3.2 Mơ phỏng kết cấu
3.2.1 Nhập mơ hình kết cấu vào ANSYS Mechanical
Mơ hình cánh hồn chỉnh được nhập vào module ANSYS Mechanical và xử
lý trong môi trường DesignModeler


3.2.2 Chia lưới

3.3.3 Mô phỏng


-


Chọn vật liệu cho cánh : vỏ làm bằng composit .
- Các thanh dầm và các grip có vật liệu bằng nhôm.
- Tổng khối lượng của cánh là 13.48 kg.


Bảng thông số vật liệu

Đặt trọng lực cho cánh

Cố định 1 đầu

* Chuyển vị của cánh là 8.649 cm




Biến dạng đàn hồi