Phân tích tải trọng và độ bền mỏi của càng máy bay cỡ nhỏ khi hạ cánh

- HOÀNG MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ KHI HẠ CÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- HOÀNG MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ KHI HẠ CÁNH Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.
- LÊ THỊ TUYẾT NHUNG Hà Nội – Năm 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 : Hoàng Minh Phương Đề tài luận văn: Phân tích tải trọng và độ bền mỏi của càng máy bay cỡ nhỏ khi hạ cánh.
- Lê Thị Tuyết Nhung TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đề tài: “Phân tích tải trọng và độ bền mỏi của càng máy bay cỡ nhỏ khi hạ cánh”.
- Càng máy bay là một trong những bộ phận quan trọng của máy bay.
- Tùy theo kích cỡ và kiểu dáng của máy bay mà có rất nhiều cấu hình càng khác nhau.
- Luận văn này sẽ nghiên cứu phân tích độ bền mỏi kết cấu càng máy bay cỡ nhỏ.
- Kết quả của luận văn là đưa ra quy trình tính độ bền mỏi cho càng máy bay cỡ nhỏ, từ đó sẽ là cơ sở để phát triển lên các mẫu máy bay có kích cỡ lớn hơn.
- Sự tập trung ứng suất.
- Tải trọng tĩnh khi máy bay đứng yên.
- Tải trọng động trong trường hợp máy bay di chuyển.
- Tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi sau khi hạ cánh.
- 23 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ.
- Các thông số máy bay Cri-cri.
- Bản vẽ và kích thước của càng máy bay Cri-Cri.
- Các thông số của máy bay Cri-Cri.
- 31 4.2 Tính toán tải trọng cho càng máy bay Cri-Cri MC.
- Tính toán tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi.
- Phân tích mỏi của càng máy bay.
- 10 Hình 11: Hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh của máy bay.
- 15 Hình 12: Sự dịch chuyển của trọng tâm khi máy bay chuyển động.
- 17 Hình 13: Phân bố tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi.
- 26 Hình 23: Máy bay Cri-Cri.
- 28 Hình 24: Vị trí càng và các bộ phận khác của máy bay Cri-Cri.
- 34 Hình 30: Càng mũi máy bay Cri Cri MC.
- 38 Hình 31: Càng chính máy bay Cri Cri MC.
- Ngoài ra, để phục vụ cho quá trình tính toán độ bền mỏi, Pedro Filipe Fernandes de Albuquerque và Mohammad Sadraey đã tính toán về tải trọng tác động lên máy bay trong luận án và nghiên cứu của mình[4][5] hay Thoai D.
- Nguyen đã phân tích càng máy bay trong quá trình hạ cánh bằng phương pháp phần tử hữu hạn[6.
- Điều này cho thấy việc nghiên cứu hiện tượng mỏi của kết cấu càng máy bay đã được nghiên cứu khá phổ biến.
- Vì thế trong khuôn khổ luận văn này, những kiến thức đó sẽ được kế thừa và phát triển hỗ trợ quá trình nghiên cứu và phân tích độ bền mỏi của bộ phận càng máy bay cỡ nhỏ (từ 1 tới 4 chỗ ngồi) trong quá trình hạ cánh và quá trình chạy taxi.
- Trên cở sở phân tích các cách làm từ nghiên cứu lý thuyết, đề tài này sẽ được giải quyết theo hai hướng tiếp cận: phân tích lực bằng lý thuyết – xác định các tải trọng tác dụng lên càng máy bay và phân tích mỏi bằng phần mềm ANSYS– sử dụng các tiêu chuẩn mỏi để xác định vùng hư hại mỏi của chi tiết càng dựa trên nguồn cơ sở lý thuyết của các bài nghiên cứu khoa học trên.
- Để dễ dàng nắm bắt được vấn đề, nội dung của luận văn được trình bày theo thứ tự sau: Chương I: Tổng quan về lý thuyết mỏi 2 Chương II: Cơ sở lý thuyết tính toán Chương III: Quy trình mô phỏng bài toán mỏi bằng phần mềm Ansys Chương IV: Tính toán và phân tích mỏi cho kết cấu càng máy bay cỡ nhỏ.
- Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Hoàng Minh Phương CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MỎI Chương “Cơ sở lý thuyết” sẽ đưa ra một cách hệ thống và tổng quát về các lý thuyết sử dụng trong quá trình nghiên cứu phân tích tải trọng mỏi trên càng chính và càng mũi của máy bay cỡ nhỏ.
- với bσ là ứng suất bền.
- Với bσ là ứng suất giới hạn bền.
- Chương “Cơ sở lý thuyết” sẽ đưa ra một cách hệ thống và tổng quát về các lý thuyết sử dụng trong quá trình nghiên cứu phân tích tải trọng mỏi trên càng mũi càng ba điểm của máy bay cỡ nhỏ.
- Tải trọng tĩnh khi máy bay đứng yên Xét theo trạng thái của máy bay, tải trọng tác động lên càng máy bay sẽ bao gồm tải trọng tĩnh khi máy bay đứng yên và tải trọng động khi máy bay di chuyển.
- Giả sử máy bay có khối lượng W trọng tâm cg chịu tải trọng tĩnh dưới mặt đất.
- Tải trọng động trong trường hợp máy bay di chuyển Phần tính toán phía trên chỉ đề cập tới tải trọng tĩnh của máy bay.
- Khi đó vị trí trọng tâm máy bay sẽ di chuyển từ vị trí cgaft tới vị trí cgfor như hình 12.
- Xét bài toán máy bay có trọng lượng W, trọng tâm di chuyển trong khoảng cgaft tới cgfor.
- CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 17 Hình 12: Sự dịch chuyển của trọng tâm khi máy bay chuyển động Theo công thức (2.3) và (2.4) tính toán từ phần tải trọng tĩnh ở mục 2.1, ta được: maxmaxWnmBFB= (2.5) maxmaxWmnBFB= (2.6) minminWmnBFB= (2.7) minminmnBFWB= (2.8) Trong quá trình cất cánh và hạ cánh, càng máy bay có xu hướng chịu tải trọng động.
- Càng mũi sẽ chịu tải trọng động này trong quá trình hạ cánh bởi máy bay tác động phanh lên càng càng mũi.
- (2.10) Trong biểu thức trên, số hạng thứ hai của tổng là tải trọng động của máy bay.
- Để đơn giản hóa, đặt: W.L cgdymaHFgB= (2.11) Như vậy, biểu thức về tải trọng tác động lên càng mũi trong trường hợp máy bay hạ cánh là: maxn n dymFF F.
- (2.14) Trong đó biểu thức thứ hai trong phương trình trên là tải trọng động tác động lên càng chính máy bay.
- Tổng tải trọng tác động lên cả hai càng chính của máy bay là: maxm m dymFF F.
- Tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi sau khi hạ cánh Hình 13: Phân bố tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi Ta có phương trình cân bằng Momen tại trọng tâm CG: 0cgM.
- (2.21) Khi máy bay chạy taxi, theo định luật II Newton, tổng ngoại lực khi đó là: vF Ma Mt.
- (2.23) Từ phương trình và ta được tải trọng trên càng chính và càng mũi khi máy bay chạy taxi là: .nnmmn mnXXvFF MXX XX t.
- CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 28 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 4.1.
- Các thông số máy bay Cri-cri Cri-Cri MC là máy bay một chỗ ngồi hai động cơ nhỏ nhất trên thế giới hiện nay[9].
- Tuy nhiên thiết kế được sử dụng phổ biến hơn cả là Cri-Cri MC-15, cũng là mẫu mới nhất của loại máy bay này.
- Bản vẽ và kích thước của càng máy bay Cri-Cri Muốn xây dựng mô hình càng cho Cri-Cri ta cần bản vẽ chi tiết của càng.
- bản vẽ còn CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 29 cung cấp thông tin về vật liệu cũng như cách ghép nối các chi tiết cấu thành nên càng.
- Khối lượng máy bay càng nhẹ sẽ càng tăng khả năng tải có ích của máy bay, do đó vật liệu để chế tạo máy bay thường là những hợp kim có đặc tính nhẹ.
- Càng máy bay cũng như thế, do phải chịu toàn bộ tải trọng của máy bay khi di chuyển dưới mặt đất, nên vật liệu cho càng còn phải chịu được tải trọng và ứng suất cao.
- Đối với máy bay hạng nhẹ như Cri Cri thì hai vật liệu chính cấu thành nên nó là hợp kim nhôm 2024 dành cho việc tạo ra các chi tiết và thép cấu trúc dành cho việc tạo ra các vít nối.
- Càng máy bay như thế, hơn thế nữa, do phải chịu toàn bộ tải trọng của máy bay khi di chuyển dưới mặt đất, nên vật liệu cho càng còn phải chịu được tải trọng và ứng suất CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 30 cao.
- Đối với máy bay hạng nhẹ như Cri Cri thì hai vật liệu chính cấu thành là hợp kim nhôm 2024 dành cho việc tạo ra các chi tiết và thép cấu trúc dành cho việc tạo ra các vít nối.
- Hình 25: Bản vẽ của càng mũi CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 31 Hình 26: Bản vẽ của càng chính 4.1.2.
- Các thông số của máy bay Cri-Cri Các thông số hình học quan trọng của máy bay Cri - Cri như sau[10.
- Hệ số hình dạng cánh: e = 0,85  Biên dạng cánh: Wortmann 21.7  Vận tốc hạ cánh:vL = 80mph = 35,76m/s CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 32 Hình 27: Hình chiếu theo phương trực diện Hình 28: Hình chiếu theo phương ngang 4.2.
- Tính toán tải trọng cho càng máy bay Cri-Cri MC 4.2.1.
- (2.12) Với maxmaxWmnBFB= (2.6) và W.LdymaHFgB= (2.11) Trong các thông số trong công thức trên, aL là gia tốc khi hạ cánh của máy bay vẫn chưa được xác định, nên ta tiến hành tính toán aL.
- CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 33 Phương trình liên quan giữa gia tốc theo phương ngang phụ thuộc vào lực đẩy động cơ và lực cản[7] là: LTDaM−= (4.1) Trong đó : T là lực đẩy động cơ D là lực cản tác động lên máy bay.
- M là khối lượng máy bay.
- Tiến hành tính lực đẩy của động cơ[7]: PTv= (4.2) Như vậy lực đẩy động cơ khi máy bay hoạt động ở vận tốc hạ cánh là PFNv.
- Giả sử máy bay Cri – Cri hoạt động ở nhiệt độ 25oC, như vậy động nhớt động học 6118,6.10.
- 6Re 10⇔≈ Với số Reynolds ≈106 và với biên dạng cánh Wortmann 21.7 ta được trị số 0,01oDC≈ [13] CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 34 Hệ số lực cản cho vật bay được tính gần đúng: 2.oDD LC C KC.
- CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 35 Trở lại với công thức tính tải trọng trên càng mũi theo phương thẳng đứng khi hạ cánh, ta có: maxmax0,18W.
- 481,91( )nFN⇔≈ Do càng mũi máy bay là càng xiên với góc nghiêng 65o nên tải trọng tác dụng lên trục càng chính là sin 65 sin65nooFFN.
- Như vậy tải trọng tác dụng lên càng mũi khi máy bay hạ cánh với vận tốc v = 35,76m/s có độ lớn F = 582,84(N).
- Như vậy tổng tải trọng tác động lên hai càng chính khi máy bay hạ cánh là: maxm m dymFF F.
- CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 36 Vậy lực tác động lên một càng chính trong quá trình hạ cánh là F=871,78N.
- Tính toán tải trọng trong trường hợp máy bay chạy taxi Theo tài liệu kỹ thuật, máy bay Cri-Cri hoạt động khi chạy taxi với vận tốc v=35,76m/s trong quãng đường băng tối thiểu S=120m.
- Lực tác dụng lên máy bay khi hạ cánh với các điều kiện trên là: vF Ma Mt.
- (2.18) CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 37 Thay các giá trị ở trên, ta được lực tác dụng lên bộ phận càng chính và càng mũi là nmmnmnmnXFFXXXFFXX.
- Đây là điều kiện biên sẽ được đưa vào trong mô hình càng chính phục vụ quá trình tính toán phân tích mỏi trên càng mũi và càng chính trong quá trình máy bay chạy taxi.
- Phân tích mỏi của càng máy bay Khi đã đầy đủ dữ liệu cho bài toán, ta tiến hành thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Ansys theo trình tự các bước: xây dựng mô hình, thiết lập thông số vật liệu và đặt điều kiện biên, sau cùng là phân tích kết quả thu được.
- CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 38 Hình 30: Càng mũi máy bay Cri Cri MC Hình 31: Càng chính máy bay Cri Cri MC Để giảm số phép tính mà phần mềm phải thực hiện, ta cần đơn giản hóa mô hình trên, hay nói cách khác là giản lược và giản ước những chi tiết thừa không cần ảnh hưởng tới tính toán.
- Theo bài báo đã thực hiện ở trên thì chi tiết phải chịu ứng CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 39 suất lặp đi lặp lại trên càng chính là cụm chi tiết đảm nhận việc kết nối giữa càng với khung máy bay.
- Hình 32: Mô hình càng mũi để tính toán Hình 33: Mô hình càng chính để tính toán CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 40 Khi mô hình đã có thì việc tiếp theo cần làm đó là chia lưới mô hình sao cho hợp lý, cụ thể là khu vực nào nguy hiểm nhất, chịu ứng suất lớn nhất sẽ được chia mịn hơn để tăng độ chính xác cho kết quả bài toán.
- CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 41 4.3.2.
- Hình 36: Bảng thông số vật liệu của hợp kim 2024 trong Ansys CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 42 Đường cong mỏi được nội suy từ các cặp Nσ−với hệ số tỷ lệ r = 0.
- Hình 38: Phân bố vật liệu trên càng mũi CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 43 Hình 39: Phân bố vật liệu trên càng chính 4.3.3.
- Hình 40: Điều kiện biên của càng mũi CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 44 Hình 41: Điều kiện biên của càng chính 4.3.4.
- Càng mũi khi hạ cánh (Fn=582,84N) Hình 42: Trường chuyển vị CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 45 Hình 43: Trường ứng suất Hình 44: Phân bố tuổi thọ mỏi CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 46 Hình 45: Phân bố hư hại 4.3.4.2.
- Càng mũi khi chạy taxi (Fn=593,27N) Hình 46: Trường chuyển vị CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 47 Hình 47: Trường ứng suất Hình 48: Trường tuổi thọ mỏi CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 48 Hình 49: Phân bố hư hại 4.3.4.3.
- Càng chính khi hạ cánh (Fm=871.78N) Hình 50: Trường chuyển vị CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 49 Hình 51: Trường ứng suất Hình 52: Trường tuổi thọ mỏi CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 50 Hình 53: Phân bố hư hại 4.3.4.4.
- Càng chính khi chạy taxi (Fm=609,16N) Hình 54: Trường chuyển vị CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 51 Hình 55: Trường ứng suất Hình 56: Trường tuổi thọ mỏi CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 52 Hình 57: Phân bố hư hại 4.3.5.
- Các trường hợp tính tải trọng Giá trị chuyển vị lớn nhất (mm) Càng mũi khi hạ cánh 0,14 Càng mũi khi chạy taxi 0,15 Càng chính khi hạ cánh 5,78 Càng chính khi chạy taxi 4,25 Ta có thể thấy càng mũi của máy bay không chuyển vị nhiều trong quá trình hạ cánh và chạy taxi, càng chính thì chuyển vị cũng rất nhỏ so với kích thước của CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 53 chi tiết.
- Mặc dù kết quả tuổi thọ mỏi của các chi tiết đều không bị ảnh hưởng, nhưng cũng cần lưu ý tới chi tiết trục nối bánh xe, bởi nó có thể gây ra hư hại trên càng nếu CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH MỎI CHO KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ 54 như có tác động tải trọng lớn hơn, qua đó có thể thay thế vật liệu khác phù hợp hoặc có phương án thay thế sớm hơn các chi tiết khác.
- Nhìn chung luận văn đã đưa ra các kết quả về những trường hợp tính toán khác nhau đối với máy bay Cri-Cri như chế độ hạ cánh, chế độ chạy taxi.
- Mở rộng tính toán kiểm bền cho các chế độ khác của máy bay như chế độ chạy taxi vòng, qua đó tổng hợp các chế độ lại để đưa ra kết quả kiểm bền chi tiết càng máy bay.
- Từ cơ sở đã nghiên cứu về càng của máy bay cỡ nhỏ có thể nghiên cứu với các chi tiết khác trên máy bay Cri –Cri hoặc với các loại máy bay khác có kết cấu càng phức tạp hơn như máy bay thương mại và máy bay vận tải.
- 56 KẾT LUẬN Luận văn đã giải quyết vấn đề “NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ”.
- Sau khi tính toán và phân tích mỏi, kết quả thu được là trường chuyển vị và trường ứng suất trên càng mũi và càng chính của máy bay Cri-Cri, kết quả cho thấy: kết cấu càng an toàn trong các trường hợp tính toán.
- Ngoài ứng suất và chuyển vị, ta còn thu được tuổi mỏi hay số lần hạ cánh và chạy taxi mà càng chịu được, các kết quả này đều hỗ trợ quá bảo dưỡng hay thay thế chi tiết trong quá trình sử dụng máy bay.
- Đề tài “NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN MỎI CỦA KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY CỠ NHỎ” khá phức tạp và có nhiều vấn đề cần giải quyết

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