- The design is based on analyzing the static and dynamic responses of wing structure under aerodynamic load by Finite Element Method and assessing the load-bearing capacity of wing by the Tsai-Wu failure criterion.
- Based on the analysis of the displacement field, strain field and Tsai-Wu value, the study gives an appropriate wing structure.
- Keywords: Glass/epoxy composite, Finite Element Method, structural design, Tsai-Wu criterion, small UAV.
- 2020 University of Transport and Communications 241 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CÁNH MÁY BAY UAV CỠ NHỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Nguyễn Song Thanh Thảo1,2*, Lưu Văn Thuần3 1 Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Số 268 Lý Thường Kiệt, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam 2 Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam 3 Học viện Hàng không Việt Nam, Số 104 Nguyễn Văn Trỗi, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUYÊN MỤC: Công trình khoa học Ngày nhận bài: 5/3/2020 Ngày nhận bài sửa Ngày chấp nhận đăng Ngày xuất bản Online https://doi.org/10.25073/tcsj.71.3.8 * Tác giả liên hệ Email:
[email protected] Tóm tắt.
- Bài báo đưa ra tính toán thiết kế kết cấu cho cánh máy bay UAV cỡ nhỏ làm bằng vật liệu composite phục vụ nhiệm vụ quan sát.
- Thiết kế dựa trên việc phân tích đáp ứng tĩnh và động của kết cấu cánh khi chịu tải khí động bằng phương pháp phần tử hữu hạn và đánh giá khả năng chịu tải của cánh theo tiêu chuẩn phá hủy Tsai-Wu.
- Ba mô hình cánh khác nhau thỏa mãn yêu cầu về khối lượng thiết kế được xem xét.
- Dựa trên các phân tích về trường chuyển vị, trường biến dạng và giá trị Tsai-Wu, bài báo đưa ra lựa chọn kết cấu cánh phù hợp.
- Từ khóa: Composite thủy tinh/epoxy, phương pháp phần tử hữu hạn, thiết kế kết cấu, tiêu chuẩn Tsai-Wu, UAV cỡ nhỏ.
- 2020 Trường Đại học Giao thông vận tải 1.
- GIỚI THIỆU UAV (Unmanned Aerial Vehicle) là loại máy bay không người lái đã được phát triển từ những năm đầu thế kỉ 20.
- Trong quân sự, UAV được ứng dụng rất rộng rãi để tránh thiệt hại về con người: máy bay không kích, trinh thám trên không, kiểm soát địa hình, vận tải hàng hóa nhỏ.
- Trong nông nghiệp, UAV chủ yếu phục vụ việc phun thuốc trừ sâu, tưới tiêu, quan sát mô hình trang trại từ trên không [1,2]… Việc sử dụng UAV ở Việt Nam cũng chỉ hơn 20 năm trở lại đây, chủ yếu dùng để trinh sát, do thám, chụp ảnh địa hình, tìm kiếm cứu nạn và trinh sát điện tử trên không trong an ninh, quốc 242 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue phòng [3] và gần đây trong các lĩnh vực về thực địa [4].
- Đối với nước ta hiện nay, việc sử dụng máy bay trực thăng để cảnh báo giao thông chưa thể thực hiện được.
- Vì vậy, mục tiêu của bài báo là nghiên cứu, chế tạo mô hình UAV cỡ nhỏ có thể ứng dụng trong việc giám sát tình trạng giao thông.
- Mô hình UAV được lựa chọn là loại máy bay cất hạ cánh thẳng đứng kết hợp bay bằng (Vertical Take- Off and Landing – VTOL).
- Lực nâng của máy bay được tạo ra một phần nhờ các chong chóng và một phần nhờ cánh chính của máy bay.
- Do đó để đảm bảo máy bay hoạt động ổn định thì ngoài hệ thống điều khiển để đảm bảo cân bằng cho các chong chóng, hệ thống cánh chính cũng phải đảm bảo bền và ổn định.
- Việc phân tích trạng thái động của kết cấu cánh máy bay giúp đánh giá khả năng hoạt động của máy bay khi có nhiễu động liên quan đến các hiện tượng đàn hồi khí động như hiện tượng “flutter”, hiện tượng “buffeting” xảy ra [6].
- Từ đó cho phép thiết kế hệ thống điều khiển giảm rung động để tránh cấu trúc cánh máy bay biến dạng lớn và hư hỏng.
- Nghiên cứu phân tích trạng thái động cũng cho phép tìm ra vật liệu làm cánh máy bay phù hợp, đáp ứng về độ bền cánh, giảm tiếng ồn và tránh sự dao động [10,11].
- Bài báo tập trung việc phân tích, lựa chọn kết cấu cánh composite vừa đảm bảo yêu cầu về khối lượng thiết kế vừa đảm bảo bền trong phân tích động kết cấu cánh khi có hiện tượng cộng hưởng xảy ra thông qua các giá trị lớn nhất của chuyển vị, biến dạng và tiêu chuẩn bền Tsai-Wu.
- PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÁNH Mục tiêu thiết kế UAV là để quan sát các khu vực dễ xảy ra ùn tắc giao thông, nên yêu cầu thiết kế phải có trọng lượng cất cánh nhỏ, thời gian hoạt động đủ lâu, tầm hoạt động đủ kiểm soát khu vực cần thiết, khả năng cơ động cao, dễ điều khiển, không gây tiếng ồn quá lớn ảnh hưởng xung quanh.
- Bảng 1 tóm tắt các yêu cầu thiết kế.
- Tóm tắt yêu cầu thiết kế UAV.
- Đặc tính Giá trị Đặc tính Giá trị Khối lượng cất cánh tối đa dự kiến (kg) 3,5 Thời gian hoạt động (phút) 30-40 Trần bay (m) 25-100 Tốc độ bay bằng (m/s) 15 Tầm bay (m) 1570 Tốc độ tối đa (m/s) 25 Để đáp ứng yêu cầu về sự linh hoạt và ổn định của UAV cho việc thực hiện nhiệm vụ giám sát, mô hình UAV được lựa chọn là loại có thể cất hạ cánh thẳng đứng kết hợp của máy bay cánh bằng và hệ thống 3 chong chóng (tricopter).
- Trong quá trình hoạt động bay bằng để giám sát, cánh chính của máy bay sẽ hỗ trợ 40% lực nâng của toàn máy bay, các động cơ của tricopter vẫn hoạt động tạo ra 60% lực nâng còn lại và giúp điều hướng máy bay.
- Vì vậy, trên kết cấu cánh chính hay cánh đuôi đều không có bất kỳ bề mặt điều khiển nào.
- Thiết kế này thuận lợi cho việc phát triển hệ thống lái tự động bằng GPS và tối ưu về năng lượng hoạt động.
- Từ quy trình thiết kế sơ bộ, bảng 2 trình bày thông số hình học thân và cánh chính của máy bay cũng như hình ảnh tổng thể của máy bay.
- Từ quy trình tính toán khối lượng sơ bộ của máy bay, khối lượng cánh chính phải nhỏ hơn 650 g.
- 243 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số Bảng 2.
- Thông số hình học thân và cánh chính của máy bay [12].
- Đặc tính Giá trị Chiều dài thân (mm) 700 Chiều cao thân (mm) 120 Chiều rộng thân (mm) 150 Tỉ lệ bình diện cánh 8 Tỉ lệ độ dài dây cung cánh tại 1 gốc và mũi Góc lùi cánh (0) 0 0 Góc vẫy cánh.
- 0 Góc đặt cánh (0) 4 Sải cánh (mm) 1200 Độ dài dây cung cánh (mm) 150 Mô hình chi tiết cấu hình nửa cánh của UAV được xây dựng bằng phần mềm SpaceClaim như trong Hình 1.
- Kết cấu cánh chính được thiết kế lược giản so với một cấu trúc cánh cơ bản.
- hai thanh dầm là bộ phận chịu lực chính trong kết cấu cánh (chủ yếu là chịu moment uốn và moment xoắn) và tăng sự ổn định trên vỏ kết cấu cánh.
- các gân cánh giúp duy trì hình dáng khí động của cánh và truyền lực khí động từ lớp vỏ đến thanh dầm.
- có thể sử dụng thêm lõi xốp để thay thế cho phần lớn số lượng gân cánh, duy trì hình dáng khí động của cánh, truyền lực từ vỏ cánh đến thanh dầm, hỗ trợ chống uốn và chống xoắn.
- lớp vỏ liên kết với các gân cánh, chịu lực khí động và moment xoắn do sự phân bố lực nâng không đều theo chiều dài dây cung cánh, truyền lực tác động đến các gân cánh và thanh dầm.
- Mô hình cánh máy bay trên SpaceClaim.
- Hai thanh dầm của cánh máy bay là hai ống carbon có bề dày 1 mm, sợi đơn hướng dọc theo chiều dài ống, được sản suất theo phương pháp đùn ép và có khả năng chịu uốn tốt.
- Bảng 3 trình bày đặc tính của ống cacbon đơn hướng.
- Đặc tính Giá trị Khối lượng riêng (g/cm3) 1,5 Phần trăm thể tích sợi V f.
- Đặc tính vật liệu xốp Styrofoam LBH [14].
- Đặc tính Giá trị Khối lượng riêng foam ( kg/m ) 3 33 Mô-đun đàn hồi E (MPa) 24 Hệ số Poisson v 0,25 Mô-đun trượt G (MPa) 10 Độ bền kéo T ult (MPa) 0,5 Độ bền nén (tại vị trí biến dạng C10% (MPa) Độ bền trượt ult (MPa) 0,25 Bảng 5.
- Đặc tính vật liệu composite lưới đan 0/90 sợi thủy tinh nền epoxy [15].
- Đặc tính Giá trị Đặc tính Giá trị Khối lượng riêng (g/cm ) 3 1,56 Độ bền kéo hướng sợi (1 )ult (MPa) T 160 Mô đun đàn hồi hướng sợi E1 8730 Độ bền kéo vuông góc sợi (2T)ult (MPa) 160 (MPa) Mô đun đàn hồi vuông góc sợi E2 8730 Độ bền kéo ngoài mặt phẳng (3T)ult (MPa) 72 (MPa) Mô đun đàn hồi ngoài mặt phẳng 4460 Độ bền nén hướng sợi (1C)ult (MPa) -228 E3 (MPa) Hệ số Poisson 12 0,33 Độ bền nén vuông góc sợi (2C)ult (MPa) -228 Hệ số Poisson 23 0,4 Độ bền nén ngoài mặt phẳng (3C)ult (MPa) -102 Hệ số Poisson 13 0,4 Độ bền trượt (12)ult (MPa) 55 Mô đun trượt G12 (MPa) 1650 Độ bền trượt (23)ult (MPa) 34 Mô đun trượt G23 (MPa) 1650 Độ bền trượt (13)ult (MPa) 34 Mô đun trượt G13 (MPa) 1650 245 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số Với đặc tính có khối lượng riêng nhỏ, nhiều loại xốp gia cường có độ cứng cao, chịu nén và chịu uốn tốt, dễ cắt gọt định hình, có thể hỗ trợ rất nhiều cho lớp vỏ của cánh máy bay.
- Bài báo sử dụng xốp gia cường Styrofoam LBH cho phần lõi của cánh máy bay với các đặc tính được nhà sản xuất đưa ra trong Bảng 4.
- Gân cánh và vỏ cánh được làm bằng vật liệu composite lưới đan 0/90 sợi thủy tinh nền nhựa epoxy được chế tạo bằng phương pháp lăn tay có phần trăm thể tích sợi 25% và độ dày một lớp sợi là 0,4 mm.
- Bảng 5 trình bày đặc tính của vật liệu này được xác định từ thực nghiệm và tham khảo.
- Cánh máy bay UAV được chia lưới cấu trúc với các phần tử tứ giác bằng phần mềm Trelis Csimsoft.
- Tại các vị trí liên kết giữa các thành phần thanh dầm, gân cánh và vỏ cánh có mật độ lưới chia dày hơn (Hình 2).
- Chia lưới bằng phần mềm Trelis: a) thanh dầm bằng ống carbon, b) vỏ cánh.
- Các chi tiết kết cấu được kết nối với nhau bằng liên kết dính chặt.
- Nghiên cứu CFD phân tích máy bay ở trạng thái bay bằng để quan sát với tốc độ 15 m/s.
- Do đó bài toán được thiết lập với dòng chuyển động ổn định, không có pha, không phóng xạ, không trao đổi nhiệt, áp dụng mô hình rối k-ω SST và giải thuật dựa trên áp suất (pressure- based).
- Trong nghiên cứu này sự tương tác giữa lưu chất và kết cấu là loại tương tác 1 chiều (1-way FSI): kết quả phân bố áp suất từ CFD được đưa vào mô hình tính toán kết cấu, sự thay đổi của kết cấu dưới tác dụng của phân bố áp suất không làm ảnh hưởng ngược lại đến giá trị của phân bố áp suất đầu vào ban đầu.
- Trong quá trình thiết kế kết cấu, các loại tải tác dụng được nhân thêm hệ số tải để xét đến sự thay đổi trạng thái hoạt động có gia tốc của máy bay (trạng thái động) và hệ số an toàn để xét đến những sai số từ quá trình thiết kế, thông số vật liệu và gia công chế tạo.
- Từ các yêu cầu thiết kế và vật liệu được lựa chọn, sử dụng các mô hình đánh giá hệ số an toàn, bài báo sử dụng hệ số tải bằng 2 và hệ số an toàn 2,5.
- Độ bền kết cấu được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn Tsai-Wu áp dụng cho vật liệu composite [16].
- H11 H 2 2 H1112 H 22 2 2 H H Với các hệ số Tsai-Wu được định nghĩa dựa trên các giới hạn bền vật liệu như sau: 246 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue H1.
- H12 0.5 H11H 22 ( Mises – Hencky ) 12 ult 2 Với là các thành phần ứng suất trong hệ tọa độ vật liệu.
- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Do yêu cầu khối lượng toàn cánh không vượt quá 650 g hay khối lượng nửa cánh phải nhỏ hơn 325 g.
- Ba mô hình cánh được lựa chọn để xem xét như trong Bảng 6.
- Các gân cánh được gia công theo biên dạng cánh BE12355D từ tấm composite sợi lưới đan thủy tinh/epoxy 5 lớp với bề dày 2 mm.
- Vỏ cánh làm từ composite sợi lưới đan thủy tinh/epoxy.
- Khối lượng các mô hình cánh phân tích.
- Khối lượng Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 - Vỏ cánh 2 lớp sợi - Vỏ cánh 1 lớp sợi - Vỏ cánh 2 lớp sợi Đặc tính - 3 gân cánh - 3 gân cánh - 5 gân cánh - Có lõi xốp - Có lõi xốp - Không lõi xốp Vỏ cánh (g Gân cánh (g Thanh dầm (g Lõi xốp (g Khối lượng tổng (g Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số Kết quả phân tích tĩnh kết cấu cánh máy bay chịu tải khí động gồm chuyển vị uốn lớn nhất theo phương thẳng đứng, biến dạng lớn nhất trên cánh và kiểm bền vật liệu composite theo tiêu chuẩn Tsai-Wu của các mô hình được trình bày trong Bảng 7.
- Kết quả cho thấy chuyển vị uốn lớn nhất của cả ba mô hình đều nhỏ hơn 5% chiều dài nửa sải cánh, các biến dạng lớn nhất trên cánh rất nhỏ (nhỏ hơn 1%) và các giá trị kiểm bền Tsai-Wu trên cánh đều nhỏ hơn 1.
- Vì vậy có thể kết luận cả ba mô hình cánh đều đủ bền theo phân tích tĩnh.
- Giá trị Tsai-Wu lớn nhất.
- Chuyển vị uốn Biến dạng lớn Hệ số Tsai-Wu lớn nhất Mô hình lớn nhất (mm) nhất.
- Vỏ cánh Gân cánh Thanh dầm Mô hình Mô hình Mô hình Bảng 8 trình bày sáu giá trị tần số dao động riêng đầu tiên và đặc tính dao động tương ứng của ba mô hình cánh.
- Cả ba mô hình có tần số dao động riêng mode 1 tương đương nhau khoảng 20 Hz và các tần số dao động riêng tăng dần cho các mode tiếp theo.
- Ứng với các mode tiếp theo, hai mô hình cánh dùng lõi xốp có tần số dao động riêng tương đương nhau và lớn hơn tần số dao động riêng của mô hình cánh không dùng lõi xốp.
- Do máy bay UAV thiết kế hoạt động ở vận tốc tương đối thấp (nhỏ hơn 20 m/s), biên độ và tần số lực nhiễu động bên ngoài không lớn nên khó xảy ra hiện tượng cộng hưởng ở các mode dao động riêng có tần số lớn (từ mode 2 với tần số lớn hơn 100 Hz).
- Ngoài ra, hiện tượng dao động phổ biến trên cánh trong máy bay cánh bằng là hiện tượng vẫy cánh ứng với mode 1.
- Vì vậy các phân tích về trường chuyển vị, biến dạng và giá trị Tsai-Wu của mode 1 được dùng để phân tích độ bền và đáp ứng động của UAV.
- Tần số và đặc tính dao động của các mô hình cánh.
- Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mode Tần số Tần số Tần số Đặc tính dao động Đặc tính dao động Đặc tính dao động (Hz) (Hz) (Hz) Dao động vẫy (uốn Dao động vẫy (uốn Dao động vẫy (uốn bậc 1) bậc 1) bậc Dao động xoắn bậc 1 99,625 Dao động xoắn bậc 1 90,958 Dao động xoắn bậc 1 Dao động uốn bậc 2 Dao động uốn bậc Dao động xoắn bậc 2 kết hợp xoắn bậc 1 kết hợp xoắn bậc 1 Dao động uốn ngang Dao động uốn ngang Dao động uốn bậc bậc 1 kết hợp xoắn 137,76 bậc 1 kết hợp xoắn 133,23 bậc 2 bậc 2 Dao động uốn ngang Dao động uốn bậc 3 Dao động uốn bậc bậc 1 kết hợp xoắn kết hợp xoắn bậc 2 kết hợp xoắn bậc 2 bậc 2 Dao động uốn bậc 3 Dao động uốn bậc 3 Dao động uốn bậc kết hợp xoắn bậc 3 kết hợp xoắn bậc 3 kết hợp xoắn bậc 3 248 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue Bảng 9 trình bày trường chuyển vị uốn thẳng đứng và trường biến dạng cũng như các giá trị lớn nhất của chúng khi có hiện tượng cộng hưởng do tải khí động ở tần số dao động riêng mode 1.
- Chuyển vị uốn tối đa tại mũi cánh của cả ba mô hình đều lớn hơn 20% chiều dài nửa sải cánh, vì vậy khi có cộng hưởng thì cánh máy bay sẽ có biên độ dao động vẫy khá lớn.
- Tuy nhiên biến dạng trên cánh của tất cả mô hình đều đảm bảo biến dạng nhỏ (nhỏ hơn 10.
- trong đó biến dạng lớn nhất của hai mô hình cánh có lõi xốp khoảng 2,5% xảy ra trên vỏ cánh còn của cánh không có lõi xốp là khoảng 4,5% xảy ra trên gân cánh gần gốc cánh nhất.
- Chuyển vị uốn theo phương thẳng đứng và biến dạng tương đương khi cộng hưởng theo mode 1 của các mô hình cánh.
- Chuyển vị uốn (mm) Biến dạng tương đương Mô hình 1 Umax = 113,45 mm max = 0,025 Mô hình 2 Umax = 142,68 mm max = 0,023 Mô hình 3 Umax = 116,63 mm max Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số Bảng 10.
- Giá trị Tsai-Wu trên vỏ cánh, gân cánh và dầm cánh khi cộng hưởng theo mode 1 của các mô hình cánh.
- Vỏ cánh Gân cánh Dầm cánh Mô hình 1 Tsai-Wumax = 0,58 Tsai-Wumax = 0,28 Tsai-Wumax = 0,57 Mô hình 2 Tsai-Wumax = 0,72 Tsai-Wumax = 0,21 Tsai-Wumax = 0,63 Mô hình 3 Tsai-Wumax = 0,56 Tsai-Wumax = 1,53 Tsai-Wumax = 1,74 Bảng 10 trình bày giá trị Tsai-Wu trên ba mô hình cánh khác nhau và các giá trị lớn nhất của chúng tương ứng trên vỏ cánh, gân cánh và dầm cánh khi có hiện tượng cộng hưởng do 250 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue tải khí động ở tần số dao động riêng mode 1.
- Đối với mô hình cánh không có lõi xốp, giá trị Tsai-Wu trên gân cánh và dầm cánh đều lớn hơn 1 nên kết cấu cánh này không đảm bảo độ bền theo phân tích động, ngay khi hiện tượng cộng hưởng vẫy cánh xảy ra, cấu trúc sẽ bị phá hủy.
- Đối với hai mô hình cánh có lõi xốp, các giá trị kiểm bền Tsai-Wu trên cánh đều nhỏ hơn 1, có thể kết luận được mô hình cánh có lõi xốp bền trong chế độ hoạt động vẫy nếu hiện tượng cộng hưởng vẫy xảy ra.
- Ngoài ra, khi tăng số lớp trên vỏ cánh, tần số dao động riêng tăng, các chỉ số kiểm bền Tsai-Wu giảm nên kết cấu tốt hơn trong cả trạng thái tĩnh và động.
- Tuy nhiên, sự thay đổi này không đáng kể nhưng lại làm tăng đáng kể khối lượng (59%) nên kết cấu cánh với 1 lớp vỏ composite sợi thủy tinh/epoxy sẽ tốt hơn.
- Từ các phân tích trên thì mô hình cánh có lõi xốp, 3 gân cánh và vỏ cánh làm từ composite 1 lớp sợi thủy tinh có khối lượng nhỏ, đảm bảo chịu tải khí động thiết kế và ổn định động là mô hình cánh phù hợp nhất.
- KẾT LUẬN Bài báo đã đưa ra một tính toán thiết kế kết cấu cho cánh máy bay UAV cỡ nhỏ bằng composite phục vụ giám sát giao thông.
- Việc thiết kế dựa trên việc phân tích khả năng chịu tải của kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn và tiêu chuẩn phá hủy Tsai-Wu áp dụng cho vật liệu composite.
- Ba mô hình cánh khác nhau làm bằng vật liệu composite lưới đan sợi thủy tinh/epoxy thỏa mãn yêu cầu khối lượng thiết kế được phân tích.
- Dựa trên các phân tích về trường chuyển vị, trường biến dạng và tiêu chuẩn Tsai-Wu, bài báo đã đưa ra cấu hình cánh phù hợp, đảm bảo độ bền trong cả phân tích tĩnh và phân tích động.
- Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, Sử dụng các thiết bị chuyên dụng từ trên máy bay không người lái (UAV) để xác định các đặc trưng thủy văn, môi trường nước biển khu vực ven bờ từ Khánh Hòa đến Ninh Thuận.
- 251 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số .
- Nguyễn, Thiết kế UAV ba rotors theo mô hình cất cánh thẳng đứng, Luận văn Đại học, Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2015