Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu dưới tác dụng của tải khí động

- MAI VĂN ĐÔNG NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ MỎI KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI KHÍ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ HÀ NỘI – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- MAI VĂN ĐÔNG NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ MỎI KẾT CẤU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI KHÍ ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Vũ Đình Quý HÀ NỘI – 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Mai Văn Đông Đề tài luận văn: Ngiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu dưới tác dụng của tải trọng khí động Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí Mã số SV: CBC16004 Tác giả, người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22/4/2017 với các nội dung sau: 1.
- Thống nhất lại một số thuật ngữ dịch từ tiếng nước ngoài được sử dụng trong luận văn.
- Vũ Đình Quý Tác giả luận văn Mai Văn Đông CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS.
- Vũ Quốc Huy i LỜI CAM ĐOAN Tôi – Mai Văn Đông, học viên lớp Cao học 2016BMTK - CLC06 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
- Vũ Đình Quý – Viện Cơ khí động lực – Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
- Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
- Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Mai Văn Đông ii Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn tốt nghiệp và cho phép bảo vệ.
- xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI.
- 1 1.1 Lý thuyết mỏi.
- 1 1.1.1 Hiện tượng phá hủy mỏi.
- 2 1.1.3 Giới hạn mỏi vật liệu.
- 3 1.1.4 Tính toán độ bền mỏi.
- 12 1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới phá hủy mỏi.
- 15 CHƯƠNG 2: TÍNH TUỔI THỌ MỎI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI KHÍ ĐỘNG.
- 16 2.1.1 Xây dựng mô hình.
- 16 2.1.2 Tính ứng suất tác dụng lên kết cấu bằng mô phỏng FSI trên ANSYS.
- 22 2.2 Lý thuyết về mô phỏng FSI.
- 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TUỔI THỌ MỎI KẾT CẤU CÁNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI.
- 30 3.1 Tính tải khí động bằng mô phỏng số FSI.
- 37 3.2 Tính tuổi thọ mỏi kết cấu cánh.
- 40 3.2.1 Mô hình cánh có kết cấu đặc với vật liệu là gỗ balsa.
- 40 3.2.2 Mô hình cánh có kết cấu khung dầm với vật liệu là gỗ balsa.
- 45 3.2.3 Mô hình cánh có kết cấu khung dầm với vật liệu là composite.
- 54 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Một chi tiết máy bị phá hủy mỏi.
- 1 Hình 2: Đặc trưng của ứng suất thay đổi.
- 2 Hình 3: Mẫu thí nghiệm cho ứng suất uốn.
- 16 Hình 12: Hệ số chất lượng khí động khi vận tốc thay đổi [9.
- 16 Hình 13: Khung xương của cánh máy bay không người lái.
- 18 Hình 17: Mô hình cánh dùng cho mô phỏng.
- 19 Hình 18: Mô phỏng FSI.
- 20 Hình 19: Đối với trường hợp đầu vào của FEA là lực khí động.
- 21 Hình 21: Import tải khí động lên kết cấu.
- 30 Hình 26: Miền tính toán.
- 32 Hình 29: Phân bố áp suất trên lưng cánh.
- 33 Hình 30: Phân bố áp suất dưới bụng cánh.
- 33 Hình 31: Phân bố áp suất.
- 34 Hình 32: Phân bố vận tốc.
- 34 Hình 33: Lực nâng và lực cản của máy bay không người lái.
- 36 Hình 36: Phân bố áp suất trên lưng cánh.
- 37 Hình 37: Phân bố áp suất ở bụng cánh.
- 38 Hình 38: Phân bố áp suất.
- 38 Hình 39: Phân bố vận tốc.
- 39 Hình 42: Mô hình cánh đặc.
- 40 Hình 43: Lưới của mô hình cánh đặc.
- 42 Hình 45: Phân bố áp suất trên cánh khi bay bằng.
- 42 Hình 46: Phân bố áp suất khi bay lấy độ cao và bay hạ độ cao.
- 43 Hình 47: Bock tải tác dụng lên cánh.
- 43 Hình 48: Tuổi thọ của cánh.
- 44 Hình 50: Lưới mô hình khung dầm.
- 46 vii Hình 52: Phân bố ứng suất trên cánh khi bay bằng.
- 47 Hình 53: Phân bố ứng suất tren cánh khi lấy độ cao và hạ độ cao.
- 47 Hình 54: Tuổi thọ của cánh.
- 48 Hình 56: Tuổi thọ của cánh.
- 50 Hình 58: Chuyển vị của mô hình cánh đặc.
- 50 Hình 59: Chuyển vị của mô hình cánh khung dầm Balsa.
- 50 Hình 60: Chuyển vị cánh có kết cấu khung dầm Composite.
- 51 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT UAV Unmanned Aerial Vehicle CFD Computational Fluid Dynamics FSI Fluid Structure Interaction ix TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong thực tế, cánh máy bay chịu tác động của lực khí động có tính chất chu kì, lặp đi lặp lại.
- Đối với các kết cấu trên, việc tính toán dự đoán tuổi thọ mỏi là rất cần thiết để kịp thời khắc phục, sửa chữa và gia cố trước khi tai nạn xảy ra đối với con người cũng như thiết bị trên máy bay.
- Luận văn này sẽ đi nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái dưới tác dụng của tải khí động.
- Cánh sẽ được làm bằng các vật liệu khác nhau cũng như kết cấu khác nhau nhằm so sánh, đánh giá.
- Dựa vào kết quả mô phỏng sẽ giúp lựa chọn để cải tiến kết cấu và vật liệu chế tạo máy bay không người lái.
- Nội dung luận văn gồm 4 phần chính như sau: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết mỏi - Cơ sở lý thuyết để dự đoán tuổi thọ mỏi cho kết cấu.
- Chương 2: Tính tuổi thọ mỏi dưới tác dụng của tải khí động - Cơ sở lý thuyết cho phương pháp tính toán tải khí động bằng mô phỏng FSI.
- Quy trình tính toán tuổi mỏi kết cấu chịu tải khí động.
- Chương 3: Tính toán tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái - Mô phỏng và đánh giá tuổi thọ mỏi cho máy bay không người lái.
- Vì lý do đó mọi nhà sản xuất và chế tạo máy bay cần nghiên cứu, tính toán kỹ lưỡng kết cấu để dự đoán các hỏng hóc có thể xảy ra.
- Và một phần không thể thiếu là nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi của cánh máy bay – bộ phận cung cấp lực nâng cho máy bay.
- Thật vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu tính toán độ bền mỏi của cánh dưới tác động của lực khí động.
- nghiên cứu về độ bền mỏi trên thanh dầm dọc của máy bay thương mại [6].
- Balaji lại nghiên cứu về phá hủy mỏi của cánh máy bay thương mai chịu tác dụng của tải trọng tĩnh trong bài báo “Design Of An Aircraft Wing Structure For Static Analysis And Fatigue Life Prediction” [2].
- Và còn rất nhiều bài nghiên khác nghiên cứu về vấn đề này, điều đó chứng minh rằng dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay là rất quan trọng và cần thiết.
- Trong khuôn khổ luận văn này, việc nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi kết cấu cánh máy bay không người lái (UAV) chịu tác dụng của tải khí động sẽ được tiến hành dựa trên sự kế thừa và phát triển những bài báo khoa học đã nêu trên.
- Sau một thời gian tìm hiểu, đề tài này sẽ được giải quyết theo hướng tiếp cận như sau: xác định tải khí động và phân tích mỏi - sử dụng các tiêu chuẩn mỏi để xác định vùng hư hại mỏi của cánh dựa trên nguồn cơ sở lý thuyết của các bài nghiên cứu khoa học trên và sự hỗ trợ từ phần mềm Ansys.
- Để tiện cho độc giả theo dõi, nội dung luận văn được chia theo bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết mỏi Chương 2: Tính toán tuổi thọ mỏi dưới tác đụng của tải khí động Chương 3: Tính toán tuổi thọ mỏi kết cấu máy bay không người lái Chương 1: Tổng quan về lý thuyết mỏi 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI 1.1 Lý thuyết mỏi 1.1.1 Hiện tượng phá hủy mỏi Vào khoảng giữa thế kỷ thứ XIX, người ta quan tâm tới hiện tượng hàng loạt trục bánh xe của tàu hỏa bị gãy không rõ nguyên nhân.
- Hiện tượng này đã được nhà khoa học Wohler tiến hành nghiên cứu một cách sâu sắc và có hệ thống.
- Thời gian sau, hiện tượng mỏi còn được phát hiện rất nhiều ở các kết cấu khác như tàu thủy, máy bay, cầu, các giàn khoan ngoài biển.
- Sự phá hủy mỏi là cả một quá trình tích lũy sự suy thoái dần dần khả năng làm việc của vật liệu và chi tiết kết cấu.
- Biểu hiện của sự suy thoái này được đặc trưng bởi ba quá trình bao gồm hình thành vết nứt tế vi, phát triển vết nứt tế vi và phá hủy trong trường hợp ứng suất thay đổi theo thời gian.
- Vị trí của vết nứt gãy thường xảy ra ở nơi có sự thay đổi đột ngột về hình học, có khuyết tật hàn – tức là nơi tập trung ứng suất cao với tải trọng thay đổi lặp đi lặp lại về độ lớn.
- Sự phá hủy mỏi thường không có dấu hiệu báo trước như các dạng phá hủy khác, nhưng nhìn bề mặt vật thể sau khi bị gẫy, ta có thể biết được phần nào về tốc độ phát triển vết nứt.
- Hình 1: Một chi tiết máy bị phá hủy mỏi Chương 1: Tổng quan về lý thuyết mỏi 2 1.1.2 Các khái niệm cơ bản Biên độ ứng suất: Mỗi lần thay đổi từ đến rồi từ đến chúng ta gọi đó là một chu trình ứng suất.
- Biên độ ứng suất có độ lớn bằng một nửa chu trình ứng suất.
- (1.1) Với: a Biên độ ứng suất max Ứng suất lớn nhất min Ứng suất nhỏ nhất.
- Chu trình ứng suất Ứng suất trung bình: Có giá trị bằng trung bình cộng của ứng suất lớn nhất và ứng suất nhỏ nhất trong một chu kì.
- (1.2) Hệ số tỷ lệ: Tỷ số giữa ứng suất nhỏ nhất và ứng suất lớn nhất trong một chu kì.
- (1.3) Sau đây là một số chu trình ứng suất và các đặc trưng của nó: Hình 2: Đặc trưng của ứng suất thay đổi minmaxmaxmin

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