Nghiên cứu tính toán tuổi thọ mỏi trên kết cấu máy bay

- PHẠM ĐỨC PHÚ QUANG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TUỔI THỌ MỎI TRÊN KẾT CẤU MÁY BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ Hà Nội - Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- PHẠM ĐỨC PHÚ QUANG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TUỔI THỌ MỎI TRÊN KẾT CẤU MÁY BAY Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thủy khí LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- Hiện tượng phá hủy mỏi .
- Chu kì ứng suất và đặc trưng của chu trình ứng suất .
- Các thông số đặc trưng của chu trình ứng suất .
- Giới hạn mỏi của vật liệu .
- Biểu đồ giới hạn mỏi.
- 13 Chương 2 : Thuật toán đếm số chu kì Rainflow.
- Một số thuật toán đếm số chu kì.
- Thuật toán Rainflow.
- 22 Chương 3: Nghiên cứu các tiêu chuẩn mỏi.
- Ứng suất liên quan đến mặt phẳng kim loại.
- Đại lượng liên quan đến bất biến ứng suất.
- Phương pháp tiếp cận mặt phẳng giới hạn.
- Phương pháp tiếp cận dựa vào bất biến ứng suất.
- 35 Chương 4: Nghiên cứu các quy luật tích lũy tổn thất.
- Luật tích lũy Miner.
- Luật tích lũy DCA (Damage Curve Approach.
- 43 Chương 5: Tải trọng ngẫu nhiên mà máy bay thường gặp.
- Tìm hiểu chi tiết các thông số tải.
- 49 Chương 6: Tính toán tuổi thọ kết cấu máy bay.
- Các chu trình của ứng suất.
- Đường cong S-N của vật liệu từ thí nghiệm.
- Đường cong S-N và giá trị ứng suất giới hạn mỏi.
- Chu trình trễ, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng.
- Ứng suất pháp N và ứng suất tiếp C trên mặt phẳng.
- Đường cong và biên độ ứng suất trượt Ca.
- Xác định biên độ ứng suất tiếp Ta và biên độ trung bình Tm.
- Đường elip được miêu tả bằng ứng suất trượt Ca.
- Đường cong S-N với 2 mức ứng suất.
- Sơ đồ tích lũy phá hủy với 4 mức ứng suất.
- Sơ đồ tích lũy mỏi DLDR.
- Sơ đồ tích lũy mỏi của bài toán DLDR.
- Lựa chọn vật liệu trên Ansys.
- Đường cong S-N của vật liệu Al2024.
- Chương trình nội suy đường cong S-N của vật liệu trong matlab .
- Ứng suất lớn nhất tại gốc cánh.
- Tính ứng suất tương đương theo tiêu chuẩn VHN.
- Tính toán với lực thay đổi trên cánh.
- 66 LỜI CAM ĐOAN Tôi - Phạm Đức Phú Quang, học viên cao học mã số 16011, cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Quốc Huy- Bộ môn Kĩ thuật hàng không vũ trụ- Viện Cơ khí Động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
- Vũ Quốc Huy TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Hiện tượng phá hủy mỏi đã được nghiên cứu từ rất lâu và trở thành một môn khoa học không thể thiếu đối với các kĩ sư, đặc biệt là các kĩ sư ngành hàng không.
- Trường hợp tổng quá nhất của bài toán là chi tiết chịu ứng suất đa trục có biên độ phức tạp.
- Đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu trường hợp đó, đưa ra một chương trình phần mềm nhằm mục đích tính toán mức độ tích lũy mỏi,dự đoán tuổi thọ của chi tiết, và sử dụng chương trình đó để tính toán cho một số bài toán cụ thể.
- Chương trình có thể áp dụng với rất nhiều vật liệu và sẽ là công cụ đắc lực hỗ trợ các kĩ sư trong việc tính toán mỏi.
- Vũ Quốc Huy tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán tuổi thọ mỏi trên kết cấu máy bay”.
- Để hoàn thành luận văn, tôi xin chân thành thầy cô trong bộ môn Kĩ thuật hàng không và Vũ trụ, đặc biệt là TS Vũ Quốc Huy đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Tiếp theo, xin cám ơn những bài nghiên cứu của các bậc thầy đi trước đã mở ra những hướng đi, hướng tư duy giúp tôi hoàn thành luận văn.
- Ngoài ra cũng xin cám ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, tiếp sức, cung cấp thêm kiến thức và tài liệu để các tính toán được chính xác và thực tế hơn.
- Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận thực tế cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thấy được.
- Tôi xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2017 Tác giả Phạm Đức Phú Quang Phần 1: Đặt vấn đề 2 Phần 1: Đặt vấn đề Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện từ giữa thế kỉ XIX và đã từ rất lâu giới hạn bền mỏi được coi là một trong các đặc trưng tính toán chủ yếu để xác định các kích thước chi tiết máy và bộ phận các công trình.
- Ngày nay, phần lớn các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong thực tế chịu ứng suất thay đổi theo thời gian.
- Thực tế chứng minh rằng các chi tiết máy này có thể bị phá hỏng khi chịu ứng suất có giá trị nhỏ hơn nhiều so với trường hợp ứng suất không đổi.
- Quan sát sự phá hủy của chi tiết khi chịu ứng suất thay đổi, người ta thấy quá trình phá hủy bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra từ vùng chi tiết máy chịu ứng suất tương đổi lớn, khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần và chi tiết ngày càng yếu đi và cuối cùng xảy ra gãy hỏng chi tiết.
- Hiện tượng mỏi đối với lĩnh vực cơ khí nói chung và hàng không nói riêng có thể xảy ra ở rất nhiều chi tiết, bộ phận.
- Ví dụ như càng đáp máy bay chịu ứng suất mỗi lần cất hạ cánh hay dầm cánh máy bay chịu ứng suất uốn.
- Vì thế, hiện tượng mỏi đặt ra rất nhiều thách thức cho các kĩ sư và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hàng không.
- Đối với các kết cấu, hiện tượng mỏi tồn tại chủ yếu dưới hai dạng.
- Mỏi đơn trục là hiện tượng mà chi tiết chịu ứng suất theo một phương nhất định, ví dụ như càng máy bay chịu ứng suất dọc trục mỗi lần cất hạ cánh.
- Mỏi đa trục là hiện tượng mà chi tiết chịu ứng suất theo nhiều phương khác nhau, ví dụ như cánh máy bay chịu ứng suất uốn – xoắn kết hợp… Hiện tượng mỏi đơn trục đã được nghiên cứu khá phổ biến và cũng đã đạt được độ chính xác khá cao khi dự đoán tuổi thọ của vật liệu.
- Vì thế, trong đồ án này, chúng em tiếp tục kế thừa và phát triển bài toán mỏi lên mức độ cao nhất là nghiên cứu hiện tượng mỏi đa trục với biên độ ứng suất thay đổi phức tạp.
- Cái khó của bài toán này là hiện tượng mỏi đa trục kết hợp với giá trị biên độ ứng suất thay đổi liên tục không tuân theo quy luật.
- Vì vậy, để giải quyết 2 vấn đề trên, trong phần Cơ sở lí thuyết, trong chương 1, chương 2, chương 3 và chương 4, Phần 1: Đặt vấn đề 3 chúng em có đưa ra thuật toán Rainflow dùng để xử lý việc thay đổi ngẫu nhiên của biên độ ứng suất và một tiêu chuẩn mỏi để giải quyết hiện tượng mỏi đa trục.
- Ngoài ra, để tính toán một cách chính xác thời điểm chi tiết bị phá hủy, chúng em tiếp tục nghiên cứu các quy luật tích lũy tổn thất do mỏi gây ra.
- Chương 5 nghiên cứu các chuỗi tải trọng (phổ tải) thường gặp ở cánh máy bay, trong đó tập trung tìm hiểu về chuỗi FALSTAFF và TWIST có ứng dụng trong máy bay chiến đấu và máy bay thương mại.
- Từ những tìm hiểu đó, chương 6 sẽ đưa ra bài toán và giải quyết bài toán trên phần mềm Ansys và Matlab Kết quả cuối cùng sẽ là một chương trình Matlab tích hợp các phương pháp giải quyết trên cho phép tính toán mức độ tích lũy phá hủy và tuổi thọ của chi tiết.
- Với lĩnh vực hàng không, việc sử dụng chương trình này giúp các kĩ sư biết được thời điểm xảy ra phá hủy, qua đó có thể lên kế hoạch tiến hành bảo dưỡng và thay thế các chi tiết bị hỏng hóc do mỏi gây ra.
- Để dễ dàng nắm bắt vấn đề hơn, nội dung đồ án được chúng em trình bày theo thứ tự sau đây: Phần 1 : Đặt vấn đề Phần 2 : Cơ sở lí thuyết chung - Một số khái niệm liên quan - Thuật toán đếm số chu kì Rainflow - Các tiêu chuẩn mỏi - Các quy luật tích lũy - Tải trọng ngẫu nhiên máy bay thường gặp - Tính toán tuổi thọ trên kết cấu cánh máy bay Phần 3 : Kết luận và hướng phát triển Phần 2 : Cơ sở lí thuyết chung 4 Phần 2 : Cơ sở lí thuyết chung Mục đích của phần Cơ sở lí thuyết chung này là đưa ra một cách hệ thống và tổng quát nhất các lí thuyết đã được sử dụng để tính toán bài toán mỏi đa trục với ứng suất thay đổi phức tạp.
- Qua đó, có thể biết cách thống kê lại một chuỗi ứng suất bất kì thành các chu kì xác định với biên độ ứng suất và giá trị trung bình ứng suất.
- Chương 3: Nghiên cứu các tiêu chuẩn mỏi Chương này giúp người đọc hệ thống lại một số các tiêu chuẩn mỏi được sử dụng trên thế giới.
- Với việc so sánh các kết quả, một tiêu chuẩn chính xác nhất sẽ được nghiên cứu và sử dụng.
- Cùng với đó, tiêu chuẩn sẽ đưa ra một giá trị ứng suất tương đương nhằm giải quyết vấn đề ứng suất đa trục.
- Chương 4: Nghiên cứu các quy luật tích lũy tổn thất Với các chu kì đã được thống kê cùng với một giá trị ứng suất tương đương đã xác định, các quy luật tích lũy sẽ được sử dụng để tính toán mức độ phá hủy của chuỗi ứng suất cũng như tuổi thọ của chi tiết.
- Chương 5: Tải trọng ngẫu nhiên mà máy bay thường gặp Chương này nghiên cứu các chuỗi tải trọng (phổ tải) thường gặp ở cánh máy bay, trong đó tập trung tìm hiểu về chuỗi FALSTAFF và TWIST có ứng dụng trong máy bay chiến đấu và máy bay thương mại.
- Chương 6: Tính toán tuổi thọ kết cấu máy bay Phần 2 : Cơ sở lí thuyết chung 5 Chương này sẽ tổng hợp lại các kiến thức vào chương trình trong Matlab và chạy thử với bài toán tính toán kết cấu trên cánh máy bay.
- Phần 2 : Cơ sở lí thuyết chung 6 Chương 1 : Một số khái niệm liên quan 1.1.
- Hiện tượng phá hủy mỏi Khi nghiên cứu hiện tượng phá hủy mỏi, người ta nhận thấy rằng.
- Vật liệu có thể bị phá hủy khi trị số ứng suất axmkhông những nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền mà còn có thể thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu,nếu như số lần thay đổi ứng suất khá lớn.
- Đối với 1 số vật liệu,tồn tại 1 trị số ứng suất giới hạn tác dụng mà với số chu kì rất lớn,vật liệu ko bị phá hỏng.
- Sự phát triển thông qua ba giai đoạn: xuất hiện vết nứt tế vi,vết nứt phát triển và phá hủy vật liệu.
- Sự phá hủy mỏi khác sự phá hủy tĩnh về bản chất cũng như hiện tượng bên ngoài.
- Sự phá hủy mỏi Sự phá hủy tĩnh Ứng suất có thể nhỏ hơn benthậm chí ychacủa vật liệu.
- Ứng suất có trị số khá cao,lớn hơn ychacủa vật liệu dẻo và benvật liệu giòn.
- Chu kì lớn Chu kì nhỏ Vết nứt to,rõ ràng Vết nứt phát triển ngầm,khó có thể phát hiện bằng mắt thường Biến dạng rõ rệt,choán cả 1 vùng chi tiết máy Tính chất cục bộ,chỉ xảy ra trong 1 vùng nhỏ của chi tiết Bảng 1.
- Bảng so sánh phá hủy do mỏi và phá hũy tĩnh 1.2.
- Chu kì ứng suất và đặc trưng của chu trình ứng suất.
- Định nghĩa Mỗi lần thay đổi từ Smax đến Smin rồi từ Smin đến Smax chúng ta gọi đó là 1 chu trình ứng suất.
- Các thông số đặc trưng của chu trình ứng suất - Giá trị ứng suất cực đại và cực tiểu Phần 2 : Cơ sở lí thuyết chung 7 - Giá trị trung bình của ứng suất Sm 𝑆𝑚=𝑆𝑚𝑎𝑥+ 𝑆𝑚𝑖𝑛2 ((1.1) -Giá trị biên độ ứng suất Sa 𝑆𝑎=𝑆𝑚𝑎𝑥− 𝑆𝑚𝑖𝑛2 ((1.2) -Hệ số không đối xứng chu trình r 𝑟 =𝑆𝑚𝑖𝑛𝑆𝑚𝑎𝑥 ((1.3) Khi r = -1 hay Smax= -Smin, chu trình đối xứng Khi r = 1 hay Smax= Smin, ứng với tải trọng tĩnh Khi r = 0 hay r.
- chu trình suất mạch động Khi r ≠0, ta có chu trình bất đối xứng Hình 1.
- Giới hạn mỏi của vật liệu 1.3.1.
- Định nghĩa: Giới hạn mỏi của vật liệu là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi tuần hoàn mà vật liệu có thể chịu đựng được với 1 số chu trình không giới hạn mà không làm xuất hiện vết nứt tế vi.
- Đường cong mỏi S-N Ứng suất-Tuổi thọ, S-N, là phương pháp tiếp cận đầu tiên được sử dụng để hiểu và định lượng quá trình mỏi kim loại.
- Tiếp cận S-N được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mà ứng suất áp dụng nằm trong khoảng đàn hồi của vật liệu và tuổi thọ cao,giống như trục truyền năng lượng.
- Phương pháp này không được ứng dụng với số chu trình thấp.
- Với những chu trình thấp,sức căng có ảnh hưởng lớn hơn.
- Thông thường,phương pháp này làm việc với số chu trình > 104 Đồ thị S-N Cơ sở của phương pháp Ứng suất-tuổi thọ là đồ thị Wohler hay S-N,biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất thay đổi và số chu trình phá hủy.
- Tải có thể đảo chiều hoàn toàn trên 1 trục trạng thái ứng suất.
- Mức độ ứng suất bề mặt của mẫu thử được tính toán bằng phương trình con lắc đàn hồi (S=Mc/l).
- Thậm chí,giá trị thu được vượt quá giới hạn chảy của vật liệu.
- Đường cong S-N của vật liệu từ thí nghiệm.

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