Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng hiện tượng đàn hồi khí động

- Nguyễn Phú Khánh, giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Hàng Không & Vũ Trụ, các thầy cô trong Viện Cơ Khí Động lực cùng các anh chị trên trung tâm DASI đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
- iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng hiện tượng đàn hồi khí động Tác giả luận văn: Đỗ Đắc Thành Khóa: 2012B Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phú Khánh a) Lý do chọn đề tài Thực tế các phương tiện giao thông 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.
- Đàn hồi khí động nghiên cứu những tác động tương hỗ giữa lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính đến một kết cấu bất kỳ, trong đó đặc biệt chú trọng tới các phương tiện bay như máy bay.
- Ngoài ra đối với các phương tiện giao thông phổ biến đi lại hiện nay như ô tô, việc nghiên cứu tác dụng của lực khí động lên bề mặt ô tô cũng có một vai trò quan trọng để đánh giá các đặc tính khí động của ô tô.
- Ứng dụng trong lĩnh vực hàng không, lý thuyết đàn hồi khí động được xây dựng để giải thích cho hiện tượng xoắn phá hủy, rung lắc (flutter) của cánh máy bay.
- Thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động đối với mô hình tấm phẳng để thu thập các kết quả khi xảy ra hiện tượng flutter.
- Thực nghiệm khí động đối với mô hình ô tô.
- Nghiên cứu lý thuyết vể hiện tượng đàn hồi khí động.
- Mô phỏng hiện tượng đàn hồi khí động học với mẫu cánh AGARD 445.6 (NACA 65A004).
- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm quan sát, đánh giá hiện tượng đàn hồi khí động xảy ra đối với mô hình tấm phẳng và hiện tượng khí động đối với mô hình ô tô.
- iv d) Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu thực nghiệm dùng ống khí động dưới âm.
- i MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG 1 1.1.
- Lịch sử nghiên cứu hiện tượng đàn hồi khí động 1 1.2.
- Đối tượng nghiên cứu 2 1.3.
- Phương pháp tìm vận tốc Flutter trong luận văn 14 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG 21 2.1.
- Mô hình mô phỏng 28 2.3.
- Khảo sát hiện tượng Flutter tại M ii 2.3.1.1.
- Phương pháp thực nghiệm hiện tượng ĐHKĐ với ống khí động 36 3.1.1.
- Ống khí động 38 3.1.1.5.
- Mô hình tấm phẳng 41 3.2.2.
- So sánh thực nghiệm và mô phỏng đối với mô hình tấm phẳng 46 3.3.
- Phương pháp tiến hành thí nghiệm khí động trên mô hình ô tô 46 3.3.1.
- Tổng quan về khí động đối với ô tô 46 3.3.1.1.
- Lực cản khí động 47 3.3.1.2.
- Lực nâng khí động 47 3.3.2.
- Mô hình ô tô 48 3.3.3.
- Các hiện tượng đàn hồi khí động.
- 16 Hình 1.10.
- 17 Hình 1.11.
- Dạng dao động điều hòa.
- Một số kết quả thực nghiệm.
- 28 Hình 2.6, Mô hình khí động và chia lưới.
- 31 Hình 2.10.
- 31 Hình 2.11.
- 32 Hình 2.12.
- 34 Hình 2.13.
- Ống khí động AF 6116 (Đặt ở nhà T – ĐHBK HN.
- 40 Hình 3.8 Mô hình tấm phẳng.
- 44 Hình 3.10.
- 45 Hình 3.12.
- 46 Hình 3.13.
- 49 Hình 3.16.
- 50 Hình 3.17.
- Mô hình ô tô trong ống khí động.
- 50 Hình 3.18.
- 50 Hình 3.19.
- 53 Hình 3.20.
- Hình dáng khí động bao ngoài ô tô.
- 54 Hình 3.21.
- 56 v KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ĐHKĐ Đàn hồi khí động FSI Fluid Structure Interaction CFD Computational Fluid Dynamics CSD Computatiopnal Structural Dynamics V-TT Vận tốc Flutter tính toán V-TN Vận tốc Flutter thực nghiệm w-TT Tần số Flutter tính toán w-TN Tần số Flutter thực nghiệm [K] Ma trận độ cứng [M] Ma trận khối lượng [S1] Ma trận chuyển phân bố lực [S2] Ma trận chuyển chuyển vị ADC Analog to digital converter Chương 1: Tổng quan về hiện tượng đàn hồi khí động 2015 Mô phỏng và thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động Trang 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG 1.1.
- Lịch sử nghiên cứu hiện tượng đàn hồi khí động Thực tế các phương tiện giao thông như ô tô, máy bay 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.
- Có thể nói, độ cứng của kết cấu là nguyên nhân quyết định đến việc xuất hiện hoặc loại trừ các hiện tượng đàn hồi khí động (ĐHKĐ), đặc biệt là máy bay.
- Bản chất vật lý, hiện tượng ĐHKĐ xuất hiện ngay khi các khí cụ bay nặng hơn không khí ra đời.
- Mặt khác, cho tới những năm đầu thế kỷ 20, các phương tiện bay đó thường bay ở vận tốc thấp, độ cao nhỏ, kết cấu khung dầm gỗ, níu buộc bằng dây vẫn đảm bảo độ cứng vững cho máy bay.
- Thực tế, trong những giai đoạn đầu, có nhiều tai nạn xảy ra do thiếu sự tính toán đến hiện tượng đàn hồi khí động.
- Công trình nghiên cứu đầu tiên về hiện tượng ĐHKĐ liên quan đến hiện tượng xoắn phá hủy cánh máy bay một tầng của giáo sư Samuel Pierpont Langley (1903).
- Trong nghiên cứu này, phương pháp chủ yếu được sử dụng là thực nghiệm trên các mẫu thu nhỏ trong ống khí động và một số mẫu thực tế.
- Phân tích hiện tượng ĐHKĐ chính thức được đặt nền móng dựa trên lý thuyết cánh động của Kutta và Joukowsky vào những năm 1906.
- Tuy nhiên, tới những năm vấn đề ĐHKĐ thực sự trở thành một lĩnh vực quan tâm bậc nhất khi mà sự phát triển của hàng không nở rộ, lời cảnh tỉnh các nhà khoa học đến từ các tai nạn khi sử dụng các mẫu máy bay mới đã được tính toán bền Chương 1: Tổng quan về hiện tượng đàn hồi khí động 2015 Mô phỏng và thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động Trang 2 tĩnh.
- Cho đến ngày nay, hiện tượng ĐHKĐ tiếp tục được tính toán cho các tên lửa, tàu vũ trụ hoạt động ở vận tốc vũ trụ.
- Đối tượng nghiên cứu ĐHKĐ 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 này sẽ không còn ý nghĩa nếu như coi máy bay là một kết cấu cứng tuyệt đối.
- Các máy bay hiện nay thường có tốc độ bay lớn, kết cấu đàn hồi và biến dạng, đây là nguyên nhân gây ra các hiện tượng ĐHKĐ.
- Cùng với các ngành khoa học khác về độ bền kết cấu: độ bền tĩnh.
- 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 máy bay 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 máy bay một cách hợp lý nhất.
- ĐHKĐ nghiên cứu các hiện tượng xuất hiện có liên quan đến 3 nhóm lực: lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính.
- Nguồn gốc của lực khí động do tương tác giữa dòng khí và thiết bị bay chuyển động hình thành.
- Lực đàn hồi và lực quán tính xuất hiện do bản chất của kết cấu các bộ phận trên vật thể bay.
- Trong lý thuyết đàn hồi cổ điển, các bài toán về ứng suất, biến dạng của kết cấu được xét dưới tác động của các ngoại lực không đổi theo thời gian, nói cách khác, ngoại lực tác dụng lên kết cấu không phụ thuộc vào biến dạng của kết cấu.
- Tuy nhiên, trong phạm vi bài toán đàn hồi khí động, khi biên dạng khí động của vật thể thay đổi, kéo theo sự thay đổi của các lực khí động tác động lên vật thể đó.
- Bài toán quan tâm ở đây là khi nào thì kết cấu ổn định và khi nào kết cấu mất ổn định.
- Kết cấu sẽ đạt trạng thái ổn định khi các dao động xuất Chương 1: Tổng quan về hiện tượng đàn hồi khí động 2015 Mô phỏng và thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động Trang 3 hiện trên kết cấu tắt dần theo thời gian, và ngược lại, kết cấu mất an toàn khi các dao động có biên độ ngày càng tăng đến một giá trị tới hạn dẫn đến nguy cơ phá hủy kết cấu.
- Với ý nghĩa như vậy, việc tính toán đến hiện tượng ĐHKĐ trong giai đoạn đầu của việc thiết kế là cần thiết để đưa ra phương án thiết kế tối ưu, vật liệu phù hợp cũng như phối trí hợp lý để đảm bảo độ cứng vững của kết cấu trong điều kiện làm việc xác định theo yêu cầu của máy bay.
- Không chỉ trong lĩnh vực Hàng không vũ trụ, mà trong các lĩnh vực như xây dựng, chế tạo máy, y tế, thể thao hiện tượng tương tác giữa môi trường rắn và môi trường lỏng cũng là một vấn đề đáng quan tâm.
- Tam giác Collar Tam giác Collar thể hiện các vấn đề nghiên cứu sinh ra từ tổ hợp 3 lực: Lực khí động (A), lực đàn hồi (E) và lực quán tính (I).
- Cạnh AE thể hiện các vấn đề liên quan đến đàn hồi khí động tĩnh xét đến tương tác giữa lực đàn hồi và lực khí động, đặc trưng chung của nhóm hiện tượng này đó là biến dạng một chiều.
- Cạnh EI liên quan đến bài toán dao động đàn hồi của kết cấu xét đến tương tác của lực đàn hồi và lực quán tính.
- Các hiện tượng liên quan đến cả ba lực đàn hồi, lực khí động và lực quán tính được xem xét như các bài toán đàn hồi Chương 1: Tổng quan về hiện tượng đàn hồi khí động 2015 Mô phỏng và thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động Trang 4 khí động, đặc trưng là xuất hiện sự dao động của kết cấu.
- STT Ký hiệu Ý nghĩa 1 F Flutter (Hiện tượng kết cấu rung lắc tự kích) 2 B Bafting (Hiện tượng rung lắc kết cấu do dao động cưỡng bức, thường gặp ở đuôi máy bay do dòng chảy nhiễu động vì ảnh hưởng của các thành phần phía trước) 3 Z Dynamic response (Hiện tượng biến dạng đàn hồi do tác động của tải nhiễu động của khí quyển tác động lên kết cấu) 4 L Load distribution (Hiện tượng thay đổi phân bố các lực khí động do kết cấu bị biến dạng, điều này làm kết quả trên thực tế khác với kết quả tính toán) 5 D Divergence (Hiện tượng xoắn phá hủy do kết cấu không đủ độ cứng, chuyển vị xoắn làm tăng góc tấn trên cánh.
- Khi lực khí động tăng làm chuyển vị xoắn tăng tới một giá trị tới hạn thì kết cấu bị phá hủy) 6 C Control Effectiveness (Giảm hiệu quả điều khiển) 7 V Mechanic Vibrations (Dao động cơ học) 8 R Control System Reversal (Hiện tượng đảo chiều điều khiển) 9 DS Dynamic Stability (Ổn định động) 10 SSA Aeroelastic Effects on Static Stability (Ảnh hưởng hiệu ứng đàn hồi lên tính ổn định tĩnh) 11 DSA Aeroelastic Effects on Dynamic Stability (Ảnh hưởng của ĐHKD lên ổn định động) Bảng 1.1.
- Các hiện tượng đàn hồi khí động Chương 1: Tổng quan về hiện tượng đàn hồi khí động 2015 Mô phỏng và thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động Trang 5 Luận văn này chủ yếu tập trung vào mô phỏng hiện tượng Flutter xảy ra trên cánh máy bay và nghiên cứu thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí đối với mô hình đơn giản là tấm phẳng và thực nghiệm khí động đối với mô hình phức tạp là ô tô.
- Dựa trên các phần đã trình bảy ở trên, đặc trưng của hiện tượng Flutter là dao động do sự tương tác giữa lực khí động, lực đàn hồi 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, lúc này dao động kết cấu có biên độ không đổi.
- Nếu tốc độ bay lớn hơn tốc độ tới hạn - biên độ dao động tăng, dẫn đến kết cấu bị phá huỷ.
- Flutter được hiểu là hiện tượng mất ổn định động của kết cấu trong dòng không khí.
- Hiện tượng này có thể xuất hiện taị cánh, đuôi, vỏ bọc cũng như các kết cấu của cánh điều khiển, tấm phụ trợ.
- Mỗi kiểu biến dạng của kết cấu trong quá trình dao động trong không khí cho một dạng Flutter khác nhau.
- Flutter uốn – xoắn cánh là hiện tượng vừa dao động vừa biến dạng uốn và xoắn, thường xuất hiện tại cánh đuôi hoặc cánh chính.
- Flutter uốn – xoắn cánh Chương 1: Tổng quan về hiện tượng đàn hồi khí động 2015 Mô phỏng và thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động Trang 6 Giả sử cánh có phân bố các tâm khí động (AO), tâm đàn hồi (EO), tâm quán tính (TO) như trên hình 2.
- Biến dạng uốn theo phương y, biến dạng xoắn so với tâm đàn hồi dẫn đến cánh dao động quanh một vị trí cân bằng do sự tương tác giữa ba lực quán tính, lực đàn hồi và lực khí động thay đổi liên tục trong từng giai đoạn khác nhau trong quá trình dao động.
- Hiện tượng uốn xoắn cánh chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố.
- Flutter uốn cánh có tham gia bởi cánh điều khiển Chương 1: Tổng quan về hiện tượng đàn hồi khí động 2015 Mô phỏng và thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động Trang 7 - Flutter uốn – xoắn cánh có sự tham gia của cánh lái.
- Với bất kì dạng Flutter nào cũng có nguy cơ dẫn đến sự phá hủy kết cấu.
- Vì vậy, trong khi thiết kế, người ta thường tính toán sao cho kết cấu có độ bền đảm bảo cho vận tốc xảy ra hiện tượng Flutter cao hơn vận tốc hoạt động lớn nhất từ 25-30%.
- VF là vận tốc nhỏ nhất của không khí và wF là tần số tương ứng tại một cấu trúc bay cho trước và một điều kiện bay cho trước mà tại đó, kết cấu dao động điều hòa.
- Để tính toán giá trị vận tốc Flutter, có thể sử dụng một số mô hình lý thuyết đơn giản hóa hiện tượng ĐHKĐ như mô hình một bậc tự do, hai bậc tự do.
- Cho đến những năm gần đây, việc giải một bài toán ĐHKĐ thường sử dụng kết hợp hai trình giải kết cấu và khí động CFD-CSD.
- Mô hình Flutter của hệ một bậc tự do Mô hình đơn giản nhất được dùng để nghiên cứu hiện tượng Flutter được mô tả như hình 4

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