Xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm bền của máy bay nhỏ trong các chế độ bay có sử dụng mô-đun vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ

- ix MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY UAV VÀ MULTICOPTER.
- 1 1.1 Tổng quan về máy bay không người lái UAV.
- 1 1.1.2 Ưu nhược điểm của máy bay không người lái.
- 1 1.1.3 Vai trò của máy bay không người lái.
- 30 ii 3.1.2 Thiết lập thông số vật liệu cho mô hình.
- 34 3.2.1 Ta thiết lập thông số vật liệu cho mô hình.
- 47 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MODULE VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ VÀO KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA MULTICOPTER.
- 48 4.1 Phương pháp mô hình hóa vật liệu Composite.
- 54 4.2.1 Ước đoán cơ tính vật liệu composite sử dụng mô hình Mori-Tanaka.
- Ma trận độ mềm cho một số loại vật liệu [10.
- 76 iii 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: Phạm Vũ Thịnh Đề tài luận văn: Xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm bền của máy bay nhỏ trong các chế độ bay có sử dụng mô-đun vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ.
- Lê Thị Tuyết Nhung vi TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Tóm tắt: Nhiệm vụ của luận văn này là thực hiện nghiên cứu quy trình phân tích độ bền kết cấu của máy bay không người lái nhiều chong chóng mang bằng vật liệu composite trong các chế độ bay khác nhau.
- Sau đó sử dụng module vật liệu đồng nhất đa cấp độ để tìm ra lựa chọn tối ưu cho vật liệu composite sử dụng.
- Trọng tâm chính của luận văn là thực hiện mô phỏng kiểm bền kết cấu của máy bay không người lái nhiều chong chóng mang trong các chế độ bay khác nhau sử dụng module Static Structure của phần mềm mô phỏng ANSYS.
- Đồng thời xây dựng một chương trình dùng để dự đoán ứng xử của vật liệu composite dựa trên mô hình đồng nhất đa cấp độ từ đó thu được thông số đầu vào về cơ tính vật liệu cho bài toán mô phỏng kiểm bền giúp bước đầu tìm ra lựa chọn sơ bộ cho tối ưu hóa vật liệu composite sử dụng.
- Mô hình được sử dụng trong đề tài là mô hình Mori-Tanaka, mô hình này cho phép dự đoán ứng xử của vật liệu composite có tính đến hướng sợi bất kì.
- 24 Bảng 5: Thông số của vật liệu composite sợi carbon [7.
- 47 Bảng 8 So sánh kết quả mô hình với thực nghiệm với vật liệu Composite Glass/Epoxy.
- 52 Bảng 9 So sánh kết quả mô hình với thực nghiệm với vật liệu Composite Graphit/Epoxy.
- 53 Bảng 10: Kết quả cơ tính vật liệu composite Glass/Epoxy 45%, sợi đơn hướng.
- 55 Bảng 11: Kết quả cơ tính vật liệu composite Graphite/Epoxy 30%, sợi nhị hướng.
- 57 Bảng 12: Kết quả cơ tính vật liệu composite Graphite/Epoxy 30%, sợi tam hướng.
- 57 Bảng 13: Tổng hợp kết quả kiểm bền Multicopter với các vật liệu khác nhau.
- 4 Hình 2: Máy bay 8 cánh quạt D130 X8 V2 U10 [5.
- 9 Hình 7: Chuyển động của dòng khí qua cánh máy bay.
- 27 Hình 21: Đồ thị đường cong mỏi S-N của vật liệu Composite F584 [8.
- 30 Hình 24: Thiết lập thông số cho vật liệu composite sợi carbon.
- 32 Hình 25: Thiết lập thông số mỏi cho vật liệu composite F584.
- 33 Hình 26: Thiết lập thông số mỏi cho vật liệu composite F584.
- 51 Hình 49: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Glass/Epoxy.
- 52 Hình 50: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu Graphit/Epoxy.
- 53 Hình 51: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Glass/Epoxy.
- 55 Hình 52: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Graphite/Epoxy.
- 56 Hình 53: Kết quả mô hình Mori-Tanaka cho vật liệu composite Graphite/Epoxy.
- Việc xác định cơ tính của vật liệu composite là vô cùng quan trọng nhằm lựa chọn được vật liệu tối ưu.
- Các nhà sản xuất thường sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định cơ tính của vật liệu.
- Cùng với việc kết hợp sử dụng mô đun vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ để tính toán cơ tính vật liệu composite nhằm cung cấp các thông số về cơ tính vật liệu như một thông số đầu vào cho bài toán kiểm bền từ đó giúp tối ưu hóa lựa chọn vật liệu.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY UAV VÀ MULTICOPTER 1.1 Tổng quan về máy bay không người lái UAV 1.1.1 Giới thiệu chung UAV viết tắt từ cụm từ “Unmanned Aerial Vehicle” nghĩa là “Phương tiện bay không người lái”.
- 1.1.2 Ưu nhược điểm của máy bay không người lái 1.1.2.1 Ưu điểm - Tính an toàn cao.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 2 - Chi phí trang bị, sử dụng, bảo dưỡng thấp.
- 1.1.3 Vai trò của máy bay không người lái 1.1.3.1 Vai trò quân sự Vai trò quân sự của UAV đang phát triển với một tốc độ chóng mặt.
- Ngoài ra, máy bay không người lái còn được sử dụng như những máy móc phục vụ nông nghiệp như máy bay phun thuốc trừ sâu.
- Hệ thống kiểm tra cháy rừng bằng máy bay không người lái do các nhà khoa học phát triển cho phép kiểm soát các vụ cháy rừng ở các khu rừng trên khắp thế giới.
- Máy bay không người lái còn được sử dụng để khảo sát địa hình.
- Theo ước tính của một nghiên cứu, thị trường toàn cầu của các phương tiện máy bay không người lái (UAV) đạt 89 tỷ USD trong năm 2013.
- 1.1.4 Phân loại Máy bay không người lái có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
- Do đó tùy từng công việc cụ thể mà người sử dụng lựa chọn loại máy bay phù hợp.
- UAV được chia ra làm hai loại chính theo cấu tạo là máy bay cố định (Fixed Wing UAV) và máy bay cánh quay (Rotary Wing UAV) 1.1.4.1 Máy bay cánh bằng cố định Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 4 Máy bay cánh cố định là loại máy bay có bề mặt tạo lực nâng được gắn cố định vào thân và không có sự chuyển động trong suốt quá trình hoạt động.
- Do đó, máy bay cần nguồn động lực để đẩy máy bay tiến về phía trước (động cơ điện, động cơ piston, tua-bin khí.
- Máy bay cánh cố định là dạng máy bay được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
- Nhược điểm của máy bay cánh bằng cố định là sự cần thiết phải bố trí đường bay hay bệ phóng để hỗ trợ cất cánh và hạ cánh.
- Bên cạnh đó giá thành cao cũng là một nhược điểm của loại máy bay cánh cố định.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 5 1.1.4.2 Máy bay cánh quay Máy bay cánh quay có tối thiểu 01 cánh quạt (trực thăng), 03 cánh quạt (Tricopter), 04 cánh quạt (Quadrotor), 06 cánh quạt (Hexacopter), 08 cánh quạt (Octocopter) cũng như các thiết kế khác thường hơn như 12 và 16 cánh quạt.
- Nguyên lý bay của máy bay cánh quay là sự phối hợp của các cánh quạt quay tạo ra lực nâng nâng máy bay lên thẳng hoặc di chuyển theo hướng bất kỳ.
- Do tốc độ và thời gian bay thấp hơn nên sẽ phải bay nhiều chuyến bay hơn so với bay cánh cố định Công suất của động cơ phần lớn dùng để nâng máy bay, phần còn lại để điều khiển máy bay.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 6 Hình 2: Máy bay 8 cánh quạt D130 X8 V2 U10 [5] 1.2 Tổng quan về UAV (Multicopter) UAV (Multicopter) là loại máy bay không người lái cánh quay được nâng lên và đẩy bởi bốn cánh tay gồm 4 hoặc 8 cánh quạt.
- Thiết bị bay này là sự kết hợp của UAV và mô hình máy bay lên thẳng.
- 1.2.1 Lịch sử phát triển của Multicopter Mô hình máy bay dạng Multicopter được thiết kế, chế tạo đầu tiên vào năm 1907.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 7 Hình 3: Breguet-Richet.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 8 Hình 5: Multicopter Convertawing Curtiss-Wright VZ-7 (Hình 5): Được thiết kế bởi công ty quân đội Mỹ.
- Điểm chung của Multicopter thời kỳ đầu là những mẫu máy bay trực thăng có người lái.
- Cùng với đó là sự phát triển rất nhanh của các mô hình máy bay điều khiển từ xa.
- Sự cần thiết, có một máy bay có khả năng cơ động cao cũng như khả năng ổn định, nên Multicopter điều khiển từ xa được đẩy mạnh nghiên cứu phát triển.
- 1.2.2 Cấu tạo của Multicopter 1.2.2.1 Khung máy bay Khung của máy bay được làm bằng hợp kim nhôm, kẽm, hoặc composite sợi cacbon.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 9 Hình 6: Hai cách bố trí cánh quạt trên khung Multicopter 1.2.2.2 Cánh quạt Cánh quạt khi quay tạo ra lực nâng là nhờ vào hình dáng khí động tương tự như hình dáng của cánh máy bay.
- Hình 7 thể hiện chuyển động của dòng khí khi đi qua cánh máy bay.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 10 Hình 7: Chuyển động của dòng khí qua cánh máy bay Cánh quạt được phân loại dựa trên đường kính và pitch cánh của chúng và được thể hiện dưới dạng sản phẩm có đường kính và pitch cánh.
- Hình 8: Cánh quạt làm bằng sợi Carbon Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 11 Tất cả các cánh quạt được sử dụng trong một Multicopter có cùng một đường kính và độ chúc ngóc.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 12 Dòng điện tiêu thụ bao gồm dòng bình thường và dòng burst.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 13 Kích thước của ESC bao gồm chiều dài × rộng × cao.
- 1.2.2.6 Điều khiển bay Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 14 Bộ điều khiển bay có vai trò tiếp nhận các tín hiệu điều khiển (từ bộ điều khiển TX), tín hiệu phản hồi (từ các bộ cảm biến), từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển động cơ và các servo (Hình 12).
- 1.2.2.7 Bộ phân phối điện Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 15 Bộ phân phối điện (Power Distribution Board (PDB)) có chức năng biến đổi nguồn điện từ pin thành các nguồn điện 5V hoặc 12V cung cấp cho các thiết bị trên máy bay.
- Giao thức bằng xung PPM: Các tín hiệu điều khiển dưới dạng analog sẽ được truyền tải trên một đường truyền duy nhất, và tín hiệu của các kênh Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 16 được sắp xếp theo thứ tự nhất định.
- Hình 13: Hai hệ trục tọa độ xác định vị trí Multicopter Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 17 Trọng lực của Multicopter luôn hướng theo chiều âm của trục z trong hệ quán tính.
- Ngoài chịu tác dụng của các lực nâng từ động cơ, trọng lực của bản thân máy bay còn phải chịu các momen do các lực nâng sinh ra tùy thuộc vào trạng thái bay.
- Trong đó: Mi: Các momen xoắn (N.m) Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 18 Km: Hệ số momen xoắn Momen quay sinh ra do lực nâng với L là khoảng cách từ tâm động cơ đến tâm Multicopter.
- 1.2.3.3 Điều kiện bay treo Điều kiện để máy bay có thể duy trì trạng thái cân bằng ở trên một độ cao nhất định là lực nâng do các động cơ sinh ra phải bằng nhau và có tổng hợp lực cân bằng với trọng lực của máy bay đồng nghĩa với việc tổng momen tác dụng lên máy bay cũng cân bằng với nhau.
- ƩMi = MPitch = MRoll = 0 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 19 Hình 15: Phân bố lực khi Multicopter cất cánh 1.2.3.5 Điều kiện chuyển động tiến, lùi và di chuyển trái, phải Khi máy bay đang ở trạng thái bay treo, tăng tốc độ vòng quay tức tăng lực đẩy của cặp động cơ phía sau tổng momen xoay do cặp động cơ này sinh ra sẽ lớn hơn cặp phía trước.
- Sự chênh lệch momen này làm cho máy bay nghiêng về phía trước một góc Pitch so với phương ngang.
- Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 20 Hình 16: Phân bố lực trên Multicopter khi bay tiến.
- Động cơ: 400g/1 động cơ: Ʃmđc g - Cánh quạt: 90g/1 cánh quạt: Ʃmcq g - ESC: 106g/1 ESC: ƩmESC=8×106 =848g - 2 pin Lipo 2490g /1 pin: ƩmPin=2x2490=4 980g - Khung máy bay 2600g (đã bao gồm càng.
- 2.2 Khung Multicopter Chọn vật liệu làm khung Multicopter D130 X8 V2 U10 là composite sợi carbon.
- Composite sợi carbon là loại vật liệu nhẹ, bền thích hợp để làm khung.
- σa = (σmax - σmin)/2 Xét tỉ lệ σa /σus (σus = 42.9 MPa) với đồ thị đường cong mỏi S-N của vật liệu composite F584.
- Từ đó xác định được tuổi thọ của vật liệu ứng với từng trường hợp.
- Do tỉ lệ σa /σus luôn nằm dưới giới hạn Se mỏi của vật liệu.
- Việc định nghĩa vật liệu được tiến hành trong mục Engineering Data.
- Khung Multicopter làm bằng vật liệu composite sợi carbon.
- Chương 3: Mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu Multicopter D130 X8 V2 U10 32 Hình 24: Thiết lập thông số cho vật liệu composite sợi carbon Với vật liệu composite sợi carbon F584 đã có thông số đường cong mỏi ở trên, ta thiết lập thông số mỏi vào Ansys.
- Giả sử máy bay cất cánh với 65% ga khi đó theo số liệu từ nhà sản xuất ta có số vòng quay của mỗi động cơ là 2580 vòng/phút và tạo lực đẩy là 3960g.
- Kết quả sau khi thực hiện mô phỏng a) Kết quả chuyển vị Chuyển vị max là 22.8mm Hình 43: Chuyển vị của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến Chương 3: Mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu Multicopter D130 X8 V2 U10 46 b) Kết quả thay đổi ứng suất Ứng suất max là 50.842x106Pa Hình 44: Ứng suất của Multicopter trong chế độ bay tịnh tiến c) Hệ số tiêu chuẩn phá hủy Hệ số tiêu chuẩn phá hủy Max=0.26 Hình 45: Hệ số tiêu chuẩn phá hủy trong trường hợp bay tịnh tiến Chương 3: Mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu Multicopter D130 X8 V2 U10 47 3.3 Kết luận Bảng 7: Kết quả của 4 chế độ bay Bay treo Cất cánh Hạ cánh Tịnh tiến Chuyển vị (mm Ứng suất (MPa Hệ số tiêu chuẩn phá hủy Luận văn đã thành công trong việc thiết lập mô phỏng kiểm bền kết cấu của máy bay nhỏ trong các chế độ bay.
- Hệ số này cho thấy việc sử dụng vật liệu composite sợi carbon áp dụng cho Multicopter D130 X8 V2 U10 thừa đủ để đáp ứng các yêu cầu về độ bền.
- Chương 4: Áp dụng module vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ vào kiểm nghiệm bền của Multicopter 48 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MODULE VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ VÀO KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA MULTICOPTER 4.1 Phương pháp mô hình hóa vật liệu Composite Mục này giới thiệu về phương pháp Direct Mori-Tanaka dựa trên mô hình Mori-Tanaka để ước đoán cơ tính vật liệu composite.
- Quá trình mô hình hóa được đơn giản hóa theo giản đồ sau: Hình 46: Sơ đồ khối mô hình hóa composite bằng mô hình Mori-Tanaka Chương 4: Áp dụng module vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ vào kiểm nghiệm bền của Multicopter 49 Theo giản đồ trên, mô hình Mori – Tanaka cho mô hình composite sợi ngắn từ các thông số đầu vào là các thông số tính chất cơ học của sợi và nền gồm có V f , E f , Em,v f ,vm , L/d .
- Sau đó dựa vào tính chất vật liệu isotropic của sợi, nền để thành lập ma trận độ cứng của sợi [Lr] và của nền [Lm], ma trận Eshelby [Sr] [Phụ lục A].
- Chương 4: Áp dụng module vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ vào kiểm nghiệm bền của Multicopter 50 Ma trận độ cứng của composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì được biểu diễn thông qua hàm hướng sợi mô tả trong mô hình Mori – Tanaka như sau.
- (4.3) Chương 4: Áp dụng module vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ vào kiểm nghiệm bền của Multicopter 51 4.1.2 Kết quả và biện luận Trong phần này mô hình được xây dựng bằng ngôn ngữ Python dựa vào mô hình bài toán đã được trình bày ở phần 4.1.1.
- Sau khi nhập đầy đủ các thông số dầu vào, ấn nút Calculate, chương trình sẽ thực hiện tính toán và đưa ra cơ tính của vật liệu Composite.
- Hình 48: Giao diện chương trình Module Mori-Tanaka Vật liệu composite Glass/Epoxy 45% thể tích sợi, các thông số đầu vào của vật liệu sợi và nền cần thiết để kiểm chứng.
- (GPa Vật liệu composite Graphit/Epoxy 70% thể tích sợi, các thông số đầu vào của vật liệu sợi và nền cần thiết để kiểm chứng

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