Nghiên cứu hiện tượng đàn hồi khí động tĩnh của cánh khí cụ bay

- VĂN MINH CHÍNH NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG TĨNH CỦA CÁNH KHÍ CỤ BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS.
- Sự biến thiên của αyc và 0Ax theo tốc độ bay 16 4 1.4.
- Xác định tốc độ tới hạn VKD 26 12 2.3.
- Ảnh hưởng của việc lệch cánh lái đến sự phân bố lực khí động trên phần cánh cố định 28 13 2.4.
- Ảnh hưởng của độ cứng cánh đến tốc độ tới hạn VKD Ảnh hưởng của góc mũi tên cánh đến giá trị VKDχ.
- Tõ c¸c c¬ së trªn, cã thÓ thÊy vÊn ®Ò nghiªn cøu hiện tượng đàn hồi khí động tĩnh của cánh khí cụ bay lµ cÇn thiÕt vµ kh¶ thi.
- Môc tiªu cña ®Ò tµi - Nghiªn cøu hiện tượng đàn hồi khí động tĩnh của cánh khí cụ bay.
- Xây dựng phương pháp tính tốc độ tới hạn của hiện tượng.
- ứng dụng phương pháp tính, tính cho một kết cấu cụ thể để góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như những cơ sở cần thiết trong thiết kế, chế tạo máy bay.
- Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu việc xuất hiện các hiện tượng đàn hồi khí động tÜnh vµ ảnh hưởng của nó trong đảm bảo an toàn trong khai thác, sử dụng.
- Nghiên cứu xây dựng bài toán: Phương pháp xác định tốc độ tới hạn của hiện tượng đó.
- Ứng dụng kết quả tính toán để khảo sát cho kết cấu cụ thể.
- Phạm vi nghiên cứu - Đề tài luận văn nghiên cứu vấn đề thuộc động lực học và độ bền kết cấu, khí động học cánh máy bay.
- Phương pháp nghiên cứu - Trên cơ sở tìm hiểu đánh giá tổng quan về nghiên cứu các hiện tượng ĐHKĐT.
- thực tế nghiên cứu của vấn đề luận văn thời gian qua cùng với tìm hiểu các nghiên cứu về khí động học, lực và mômen khí động xuất hiện trong các hiÖn t−îng đàn hồi khí động cánh máy bay.
- ứng dụng các kiến thức về khí động và kết cấu máy bay để xây dựng bài toán xác định tốc độ tới hạn của hiện tượng đàn hồi khí động tĩnh trên cánh.
- Sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại để tính toán cho hiện tượng trên.
- TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.
- Những vấn đề chung về đàn hồi khí động khí cụ bay 1.1.
- Lịch sử nghiên cứu và phát triển của lĩnh vực đàn hồi khí động Khi nghiên cứu về động lực học bay ta thường coi KCB như chất điểm (để nghiên cứu các đặc tính bay) hoặc KCB như một vật thể cứng tuyệt đối, có thể chuyển động theo các trục và quay quanh các trục (để nghiên cứu ổn định và điều khiển).
- Thực tế KCB không phải là vật cứng tuyệt đối, trước tác dụng của ngoại lực, chuyển vị và biến dạng của các thành phần kết cấu làm thay đổi đặc tính khí động cũng như hạn chế khả năng chịu tải của kết cấu.
- Khi tốc độ bay tăng, khi có xung va chạm lúc hạ cánh, hoặc khi gặp các dòng nhiễu động trong quá trình bay thì các tương tác trở nên đặc biệt nguy hiểm cho an toàn bay.
- Có thể nói, độ cứng của kết cấu KCB là nguyên nhân quyết định đến việc xuất hiện hoặc loại trừ các hiện tượng ĐHKĐ.
- Các hiện tượng ĐHKĐ xuất hiện ngay từ khi có khí cụ bay nặng hơn không khí, song ở thời kỳ đó ít hiểu biết về bản chất và chưa có điều kiện nghiên cứu về nó.
- Vì vậy đã có nhiều tổn thất và tai nạn do các hiện tượng ĐHKĐ gây nên.
- Trên thế giới, vấn đề ĐHKĐ chỉ được các nhà khoa học tìm hiểu từ khi xuất hiện các hiện tượng gây rung lắc, phá huỷ kết cấu mà trước đó nguyên nhân chưa được biết đến.
- Cùng với việc nâng cao tốc độ bay thì vấn đề ĐHKĐ cũng ngày càng được nghiên cứu hoàn thiện.
- Tuy nhiên, vào trước những năm 1930 khi mà các KCB còn có tốc độ bay nhỏ, vật liệu kết cấu chủ yếu là gỗ, vải ép, hợp kim nhôm.
- vấn đề ĐHKĐ thời kỳ này mới chỉ ở mức độ “phôi thai”, chưa được nghiên cứu cặn kẽ, chưa trở thành một ngành khoa học phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi như những năm gần đây.
- Đầu năm 1930 xảy ra tai nạn bay do hiện tượng xoắn phá huỷ ở máy bay một tầng cánh của giáo sư Samuel Langleye (Mỹ).
- Nguyên nhân là cánh của máy bay có độ cứng chống xoắn nhỏ (Các chu tuyến kín được tạo ra ở cánh để chịu mô men xoắn nhỏ).
- 11Cũng trong thời kỳ đó, với máy bay hai tầng cánh, hai anh em Wright luôn bay thành công, khi đó người ta có cảm tưởng rằng máy bay hai tầng cánh bền hơn, nên ở Mỹ đến cuối chiến tranh thế giới lần thứ nhất người ta sản xuất chủ yếu loại máy bay hai tầng cánh.
- Do yêu cầu về tốc độ bay lớn, trọng lượng kết cấu nhỏ, nên người ta đã lại phải nghiên cứu về sản xuất máy bay một tầng cánh.
- Ở Đức thời gian đó người ta sử dụng máy bay tiêm kích Fokker-D8 là máy bay một tầng cánh đặt trên thân, nó đạt tốc độ nhanh hơn, nhẹ hơn các loại máy bay thời kỳ đó.
- Song cũng do độ cứng chống xoắn nhỏ mà đã xảy ra nhiều tai nạn ở loại máy bay này.
- Máy bay hai tầng cánh, ở tốc độ nhỏ thì hệ thống chịu mômen xoắn ở cánh rất lớn, đủ khả năng chống lại biến dạng.
- Song do độ cứng của thân, đuôi nhỏ nên ở đây lại xảy ra nhiều hiện tượng đàn hồi khí động khác.
- Ví dụ như máy bay chiến đấu Handley-page 0/400 của Anh trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, máy bay có hai đuôi đứng và đuôi ngang, rất nhạy với hiện tượng rung kiểu flutter, đã nhiều lần xảy ra rung động mạnh dẫn đến phá huỷ kết cấu khi đang bay.
- Nguyên nhân chính dẫn đến các tai nạn ở máy bay này là do kết cấu nối hai phần cánh lái lên xuống không đủ cứng (nối qua hệ thống dây) và cũng do các cánh lái không được cân bằng tuyệt đối.
- Cũng với nguyên nhân tương tự đã xảy ra rất nhiều tai nạn với các loại máy bay khác của Anh, ví dụ như ở máy bay DH-9.
- Vào những năm 30 của thế kỷ XX, do cần tăng tốc độ bay người ta sử dụng máy bay 1 tầng cánh, nhiều tai nạn do các hiện tượng ĐHKĐ gây nên lại xuất hiện.
- Nhà toán học Xô Viết Tra-plư-gin đã nghiên cứu hiện tượng chảy không ổn định qua cánh KCB, trên cơ sở đó viện sĩ Ken-đưs đã bắt đầu nghiên cứu bản chất của hiện tượng flutter.
- Năm 1933 Ken-đưs cùng với Grosman ở trung tâm nghiên cứu thuỷ khí Xaghi đã đưa ra các phương pháp có hiệu quả để chống lại những ảnh hưởng nguy hại của các hiện tượng ĐHKĐ này.
- Tốc độ KCB càng tăng thì càng xuất hiện nhiều dạng ĐHKĐ khác nhau và 12vấn đề HĐKĐ ngày càng trở nên quan trọng hơn đối với các nhà thiết kế KCB.
- Khi trọng lượng KCB tăng, sải cánh tăng sẽ cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi khi KCB bay qua dòng nhiễu động.
- Trong thời gian trước chiến tranh thế giới lần thứ hai, do các tấm điều khiển trợ lực trên máy bay có độ cứng quá nhỏ hoặc không đựơc cân bằng nên đã xuất hiện nhiều dạng flutter khác nhau, gây nhiều tai nạn cho các máy bay tiêm kích.
- Khi tốc độ bay đạt gần tới tốc độ âm thanh thì lại xuất hiện nhiều loại rung lắc kiểu Bafting ở đuôi KCB cũng như hiện tượng flutter trên KCB.
- Cũng do rung động, lắc và do không quan tâm, nghiên cứu đầy đủ về vấn đề ĐHKĐ mà nhiều loại KCB không sử dụng được (như máy bay vận tải với động cơ tua bin cánh quạt Lockheed Electra vào những năm 1960).
- Ngày nay với sự phát triển của máy tính, kỹ thuật làm mô hình và thử nghiệm trong ống khí động, vấn đề ĐHKĐ đã đựơc nghiên cứu đầy đủ và kỹ lưỡng hơn và ĐHKĐ đã trở thành một ngành khoa học như các ngành khí động học, cơ học bay, cơ kết cấu cũng như các ngành khoa học khác trong thiết kế, chế tạo KCB.
- Các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực ĐHKĐ còn được sử dụng cho cả các kết cấu dân dụng như nhà cao tầng, tháp vô tuyến truyền hình, cầu.
- Đối tượng nghiên cứu và phân loại các hiện tượng đàn hồi khí động “Đàn hồi khí động” là ngành khoa học nghiên cứu sự tác động qua lại giữa lực khí động và vật thể đàn hồi, chính vì thế mà vấn đề ĐHKĐ sẽ không còn ý nghĩa nếu như kết cấu cứng tuyệt đối.
- Các KCB hiện nay cơ bản có tốc độ bay lớn, kết cấu thường đàn hồi và biến dạng, đây là nguyên nhân gây ra các hiện tượng ĐHKĐ khác nhau.
- Cùng với các ngành khoa học khác về độ bền kết cấu: định mức độ bền.
- độ bền động…, thì ĐHKĐ là một ngành khoa học đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được trong công nghệ thiết kế chế tạo, nhất là để chế tạo ra các KCB vừa có tốc độ bay cao, trọng lượng kết cấu nhỏ, lại đảm bảo đủ bền, ổn định, đồng thời ngăn ngừa các hiện tượng ĐHKĐ.
- Để đạt được những yêu cầu trong thiết kế đặt ra và hạn chế được chính những mâu thuẫn trong các yêu cầu thiết kế, đòi hỏi các nhà khoa học cần lựa chọn giải pháp thiết kế tối ưu, vật liệu kết cấu phù hợp, cũng như tính toán phối trí KCB một cách hợp lý nhất.
- 13ĐHKĐ nghiên cứu các hiện tượng xuất hiện có liên quan đến 3 nhóm lực: lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính.
- Các lực này xuất hiện trong khi bay do tính chất đàn hồi và biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của các loại tải.
- Việc kết cấu bị biến dạng, đàn hồi là không mong muốn, tuy nhiên thực tế nó vẫn xảy ra.
- Dưới tác dụng của lực khí động kết cấu bị biến dạng, sự biến dạng làm tải thay đổi và chính lượng thay đổi tải này lại làm cho biến dạng của kết cấu bị thay đổi, cứ như vậy đến một thời điểm nào đó kết cấu mất ổn định và bị phá huỷ.
- Sự hình thành các hiện tượng ĐHKĐ được thể hiện qua sơ đồ Hình 1.1.
- Trong sơ đồ trên có thể thấy, nghiên cứu tác động giữa nhóm lực khí động và quán tính là các vấn đề của “Cơ học bay”.
- giữa quán tính và đàn hồi là “Dao động đàn hồi cơ học của hệ”.
- giữa khí động và đàn hồi là “ĐHKĐ tĩnh”.
- giữa khí động, đàn hồi và quán tính là “ĐHKĐ động”.
- Dựa vào sự tác động đồng thời của các lực mà ta có các nhóm các hiện tượng ĐHKĐ khác nhau.
- Nhóm các hiện tượng ĐHKĐ có tham gia của lực khí động, lực đàn hồi (không có sự tham gia của lực quán tính) được gọi là các hiện tượng ĐHKĐ tĩnh.
- Đặc trưng chung của các hiện tượng này là biến dạng một chiều.
- Nhóm các hiện tượng ĐHKĐ có tham gia đồng thời của 3 lực, được gọi là LùcKhÝ ®éng Lùc ®µn håi Lùc Qu¸n tÝnh Các hiện tượng đàn hồi khí động tĩnh Các hiện tượng đàn hồi khí động động Dao ®éng ®µn håi c¬ häc cña hÖ Các vấn đề cơ học bay H×nh 1.1.
- 14các hiện tượng ĐHKĐ động.
- Đặc trưng chung của các hiện tượng này là dao động.
- Trong nhóm các hiện tượng ĐHKĐ tĩnh, có các hiện tượng đặc trưng sau.
- Thay đổi phân bố lực khí động do biến dạng: Do biến dạng kết cấu làm thay đổi giá trị và sự phân bố lực này.
- Giá trị này khác với giá trị tính toán đối với kết cấu cứng tuyệt đối.
- Xoắn phá huỷ cánh: Do cánh không đủ độ cứng, nên trước tác dụng của lực khí động kết cấu bị biến dạng.
- Trong đó chuyển vị xoắn làm tăng góc tấn cánh, làm tăng thêm lực khí động.
- Khi lực khí động tăng thì chuyển vị xoắn tăng.
- Cứ như vậy đến một tốc độ bay nào đó gọi là tốc độ tới hạn của hiện tượng thì độ bền, độ cứng của kết cấu không còn khả năng chống lại hiện tượng xoắn cánh nữa, lúc đó kết cấu bị phá huỷ (có thể nói góc xoắn lớn đến vô cùng.
- Giảm hiệu quả điều khiển: Do biến dạng của phần kết cấu treo các cánh lái (phần kết cấu treo cánh lái không đủ cứng) nên khi lệch cánh lái, lực khí động xuất hiện lại làm biến dạng kết cấu, sự biến dạng này làm giảm hiệu quả làm việc của cánh lái.
- Đảo chiều tác dụng của cánh lái (Reverte): Do kết cấu vùng treo của cánh lái không đủ cứng nên khi lệch cánh lái, cánh biến dạng, làm hiệu quả điều khiển của các cánh lái giảm.
- Đến một tốc độ nào đó, gọi là tốc độ tới hạn của hiện tượng đảo chiều tác dụng cánh lái, hiệu quả làm việc của các cánh lái sẽ bằng không, nếu tốc độ bay vượt qua tốc độ tới hạn đó, tác dụng điều khiển của các cánh lái sẽ ngược lại (nên hiện tượng này được gọi là hiện tượng đảo chiều tác dụng của các cánh lái).
- Trong nhóm các hiện tượng ĐHKĐ động ta thấy có các hiện tượng đặc trưng sau.
- Hiện tượng flutter (hiện tượng rung, lắc kết cấu): bản chất của hiện tượng này là dao động tự kích của một thành phần kết cấu nào đó khi có sự tham gia đồng thời của ba lực (lực đàn hồi, lực khí động và lực quán tính).
- Trong dao động xuất hiện lực cản dao động và lực kích thích dao động của kết cấu.
- Tốc độ bay càng tăng thì lực kích thích duy trì dao động càng lớn, đến tốc độ bay nào đó - gọi là tốc độ tới hạn, dao động kết cấu có biên độ không đổi.
- Nếu tốc độ bay lớn hơn tốc độ tới hạn - biên độ dao động tăng, kết cấu bị phá huỷ.
- Hiện tượng bafting: là hiện tượng rung lắc một thành phần kết cấu nào đó, thường là đuôi KCB.
- Bản chất của hiện tượng này là dao động cưỡng bức kết cấu do xoáy của dòng khí bị đứt dòng khi chảy qua các thành phần kết cấu ở phần trước tác dụng.
- Khi tần số của các xoáy (đóng vai trò tần số của lực kích thích) trùng với tần số dao động riêng của phần kết cấu nào đó của KCB sẽ sinh ra cộng hưởng và do vậy mà kết cấu bị phá huỷ.
- Hiện tượng phản ứng động lực học: là hiện tượng biến dạng dàn hồi do nhiễu động của khí quyển tác dụng động lên kết cấu (gió, bay trong vùng khí lưu của KCB bay trước.
- Do tác dụng động như vậy mà có thể xuất hiện quá tải quá lớn gây phá huỷ kết cấu.
- Ảnh hưởng của biến dạng các thành phần kết cấu KCB đến phân bố tải trên đó và đến tính năng bay 1.3.1.
- Biến dạng cánh KCB a.
- Trục khí động (AO.
- AO-Tâm khí động.
- AO EO TOXAOXEOXTO 16Vị trí tâm áp suất (tâm khí động) dịch chuyển theo tốc độ bay.
- Ở tốc độ M < 1: xA0=0,25b - Ở tốc độ M > 1: xA0=0,5b.
- Cùng với đặc trưng khí động αyc, ta có đồ thị thay đổi 0Ax = bxAO theo tốc độ bay (Hình 1.3).
- Sự biến thiên của αyc và 0Ax theo tốc độ bay.
- Ở cánh thẳng, góc xoắn cánh sẽ làm thay đổi góc tấn dọc theo sải của cánh, như vậy sẽ làm thay đổi lực khí động trên cánh.
- Đường 2 biểu diễn sự thay đổi góc tấn theo sải cánh, trường hợp cánh mềm có trục cứng đứng sau trục khí động (xA0< xE0)

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt