Nghiên cứu hiện tượng khí động đàn hồi cánh máy bay có biên dạng đối xứng

- PHẠM QUANG TUẤN NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI CÁNH MÁY BAY CÓ BIÊN DẠNG ĐỐI XỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1.
- 10 1.1 Lịch sử nghiên cứu hiện tượng khí động đàn hồi.
- 10 1.2 Phân loại các hiện tượng khí động đàn hồi.
- 12 1.3 Các hiện tượng khí động đàn hồi tác dụng lên cánh máy bay.
- Tính đàn hồi của kết cấu cánh máy bay.
- Bản chất và quá trình diễn biến của các hiện tượng khí động đàn hồi16 1.3.3.
- 18 1.4 Các phương pháp nghiên cứu hiện tượng khí động đàn hồi.
- Phương pháp K-P.
- Bài toán mô phỏng khí động.
- Thực nghiệm với ống khí động.
- 30 Bảng 2.2 Kết quả phân tích dao động riêng của cánh AGARD 445.6.
- 54 Bảng 3.2 Tần số vẫy trên cánh Agard kết cấu gỗ balsa đặc.
- Tần số dao động riêng của cánh Agard kết cấu gỗ balsa đặc.
- 28 Hình 2.1 Cánh AGARD 445.6.
- 37 Hình 2.8 Phân tích Modal.
- 55 Hình 3.4 Biến thiên lực tác động gốc cánh kết cấu gỗ balsa đặc.
- 56 Hình 3.5 Biến thiên lực tác động gốc cánh kết cấu gỗ balsa đặc tại vận tốc flutter57 Hình 3.6 Hệ thống thực nghiệm máy tạo rung.
- Với các tốc độ khác nhau của máy bay, hiện tượng khí động đàn hồi là hiện tượng quan trọng không thể bỏ qua trong quá trình tính toán thiết kế máy bay.
- Hiện tượng này chính là hiện tượng phản hồi sự tương tác giữa dòng lưu chất và kết cấu của máy bay.
- Trong số các hiện tượng khí động đàn hồi thường xảy ra đối với các kết cấu hàng không thì hiện tượng tự rung động (Flutter) là một trong những hiện tượng phức tạp và nguy hiểm nhất.
- Luận văn này nghiên cứu hiện tượng khí động đàn hồi cánh máy bay với đối tượng là cánh có biên dạng đối xứng.
- Chương 1: Tổng quan hiện tượng khí động đàn hồi; Chương 2: Phương pháp mô phỏng số; Chương 3: Phương pháp thực nghiệm.Qua việc thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã tích lũy được rất nhiều kiến thức mới, cũng như phương pháp nghiên cứu học tập.
- Có thể nói, độ cứng của máy bay là nguyên nhân quyết định đến việc xuất hiện hoặc loại trừ các hiện tượng khí động đàn hồi.
- 1.1 Lịch sử nghiên cứu hiện tƣợng khí động đàn hồi Hiện tượng khí động đàn hồi (KĐĐH), Aeroelasticity, xảy ra khi có sự tương tác giữa lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính sinh ra dao động có thể bất ổn định và dẫn tới phá hủy kết cấu.
- Song do độ cứng của thân, đuôi nhỏ nên ở đây lại xảy ra nhiều hiện tượng đàn hồi khí động khác.
- Vào những năm 30 của thế kỷ XX, do cần tăng tốc độ bay người ta sử dụng máy bay 1 tầng cánh, nhiều tai nạn do các hiện tượng KĐĐH gây nên lại xuất hiện.
- Hình 1.1 Biên độ dao động phụ thuộc vào vận tốc của Von Schlippe [6] Mẫu thực nghiệm hiện tượng KĐĐH đầu tiên được đưa ra bởi Von Schlippe vào năm 1935.
- 13 Hình 1.2 Tam giác COLLAR Các hiện tượng KĐĐH thường được phân thành hai nhóm dựa vào tác động đồng thời của hai hay ba nhóm lực.
- Hiện tƣợng KĐĐH tĩnh: là các hiện tượng có sự tham gia của lực khí động và lực đàn hồi.
- Đặc trưng chung của các hiện tượng này là biến dạng một chiều không xét đến các tác động dao động.
- Các hiện tượng đặc trưng của KĐĐH tĩnh gồm: o Thay đổi phân bố lực nâng do biến dạng: biến dạng đàn hồi của kết cấu dẫn đến thay đổi phân bố áp suất trên kết cấu đó.
- Cứ như vậy đến một tốc độ bay nào đó gọi là tốc độ tới hạn của hiện tượng thì độ bền, độ cứng của kết cấu không còn khả năng chống lại hiện tượng xoắn cánh nữa.
- lúc đó kết cấu bị phá hủy (góc xoắn lớn đến vô cùng).
- o Giảm hiệu quả điều khiển: Do biến dạng của phần kết cấu treo các cánh lái (phần kết cấu treo cánh không đủ cứng).
- Hiện tƣợng đàn hồi khí động động: là các hiện tượng có sự tham gia đồng thời của ba lực: lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính.
- Đặc trưng chung của các hiện tượng này là dao động.
- Các hiện tượng đặc đặc trưng của đàn hồi khí động động gồm: o Hiện tượng Flutter: Bản chất của hiện tượng này là dao động điều hòa tự kích của một thành phần kết cấu nào đó khi có sự tham gia đồng thời của ba lực (lực đàn hồi, lực khí động và lực quán tính).
- Nếu tốc độ bay lớn hơn tốc độ tới hạn đó, kết cấu bị phá hủy.
- o Hiện tượng Bafting: Là hiện tượng rung lắc một thành phần kết cấu nào đó (thường là đuôi máy bay).
- Bản chất và quá trình diễn biến của các hiện tượng khí động đàn hồi Như đã nói ở trên, dưới tác dụng của ngoại lực cánh bị biến dạng do có sự tác động qua lại của 3 thành phần lực: khí động, đàn hồi, quán tính.
- Các hiện tượng KĐĐH chính thường gặp trên cánh máy bay.
- Hiện tượng xoắn phá huỷ cánh.
- Hiện tượng đảo chiều tác dụng cánh lái.
- Hiện tượng Flutter.
- Hiện tƣợng đảo chiều tác dụng cánh lái Hiện tượng giảm tác dụng điều khiển và đảo chiều tác dụng của cánh lái xuất hiện chủ yếu do ảnh hưởng qua lại giữa lực khí động, lực biến dạng đàn hồi 17 kết cấu vùng cánh treo cánh lái.
- Hiện tƣợng Flutter Cánh máy bay có thể dao động uốn và xoắn.
- Ở vận tốc mà dao động của cánh nằm ở biên giới ổn định là vận tốc tới hạn của hiện tượng Flutter.
- Các vấn đề cần giải quyết Từ những mô tả các quá trình diễn biến các hiện tượng như đã nói ở trên, ta đưa ra mô hình bài toán FSI để nghiên cứu các hiện tượng đàn hồi khí động xảy ra trên cánh máy bay.
- Thay đổi phân bố lực nâng do xoắn cánh – xoắn phá huỷ cánh: o Vận tốc tới hạn (divergence speed) của hiện tượng xoắn phá huỷ cánh.
- Hiện tượng Flutter: o Vận tốc bắt đầu xảy ra hiện tượng dao động tự kích không ổn định (Flutter speed).
- o Tần số dao động riêng của cánh tại vận tốc xác định.
- o Hệ số hãm của dao động trên cánh máy bay ở vận tốc xác định.
- 1.4 Các phƣơng pháp nghiên cứu hiện tƣợng khí động đàn hồi Luận văn tập trung nghiên cứu hiện tượng KĐĐH, cụ thể là hiện tượng flutter.
- Đặc trưng của hiện tượng Flutter là dao động tự kích do sự tương tác giữa lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính.
- Hiện tượng này có thể xuất hiện taị cánh, đuôi, vỏ bọc cũng như các kết cấu của cánh điều khiển, tấm phụ trợ.
- Mỗi 19 kiểu biến dạng của kết cấu trong quá trình dao động trong không khí cho một dạng Flutter khác nhau.
- Flutter uốn – xoắn cánh là hiện tượng vừa dao động vừa biến dạng uốn và xoắn, thường xuất hiện tại cánh đuôi hoặc cánh chính.
- Hiện tượng uốn xoắn cánh chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố.
- Quá trình dao động liên tục diễn ra như vậy có thể gây ra ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu cánh.
- 21 Hình 1.8 Tiêu chuẩn vận tốc máy bay dựa trên giới hạn Flutter [1] Hiện tượng Flutter được đặc trưng bởi một số tham số như tốc độ tới hạn hay vận tốc Flutter VF và tần số tới hạn wF.
- Ngoài ra, khối lượng riêng không khí, biên độ dao động hay kiểu dao động tại đó cũng là một tham số quan tâm Để tính toán giá trị vận tốc Flutter, có thể sử dụng một số mô hình lý thuyết đơn giản hóa hiện tượng ĐHKĐ như mô hình một bậc tự do, hai bậc tự do.
- Mô hình hệ một bậc tự do 22 Mô hình đơn giản nhất được dùng để nghiên cứu hiện tượng Flutter được mô tả như hình 1.9.
- Mô hình hai bậc tự do Mô hình hóa hiện tượng Flutter của kết cấu phức tạp thường yêu cầu mô hình chi tiết hơn mô hình một bậc tự do.
- Phương trình chuyển động của kết cấu được viết như sau.
- )f q q q t f q q q f t (1.10) Khi đó, phương trình chuyển động của kết cấu được viết lại như sau.
- ρ là khối lượng riêng của của dòng khí chảy qua kết cấu.
- Phương trình chuyển động của kết cấu được viết lại.
- Phương pháp thực nghiệm Kể từ khi các nhà khoa học quan tâm đến vấn đề khí động đàn hồi xảy ra trên máy bay ném bom Handley Page O/400 bomber của không quân hoàng gia Anh năm 1916 cho đến nay, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm luôn là một giải pháp tiên phong cho việc nghiên cứu phân tích hiện tượng này.
- Bước 1: Thực nghiệm trong ống khí động (Wind tunnel).
- Bước 3: Thiết kế khí động đàn hồi.
- Tính toán vật tốc tới hạn của hiện tượng Flutter, giảm hiệu quả điều khiển, đảo chiều cánh lái … Hình 1.13 Thí nghiệm sử dụng ống khí động tại trung tâm nghiên cứu Glenn, NASA 29 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ Chương này khảo sát bài toán KĐĐH sử dụng phương pháp mô phỏng số trên đối tượng là cánh AGARD 445.6 có biên dạng đối xứng NACA65A004 miền vận tốc M nhằm xác định được giá trị vận tốc xảy ra hiện tượng flutter và một số đặc tính liên quan bằng cách sử dụng kết hợp bộ giải CFD (Computational Fluid Dynamics) và CSD (Computational Structure Dynamics) trong phần mềm ANSYS.
- 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu Để khảo sát hiện tượng ĐHKĐ, trong rất nhiều nghiên cứu trước đây, mẫu cánh AGARD 445.6 (NACA 65A004) được sử dụng làm đối tượng chính.
- Vì cánh có đặc điểm kết cấu như vậy nên nó dễ xảy ra hiện tượng Flutter trong không khí thường hơn so với các mẫu cánh khác.
- Vf là vận tốc xảy ra hiện tượng Flutter.
- Vì vậy, biến dạng lưới trong tính toán KĐĐH là một bài toán quan trọng và ảnh hưởng đến kết quả phân tích hiện tượng dao động của kết cấu.
- Sự biến dạng liên tục của kết cấu trong quá trình mô phỏng hiện tượng KĐĐH, dẫn đến lưới khí động cũng biến dạng liên tục.
- Vì vậy, giải pháp này thường được sử dụng trong phân tích hiện tượng KĐĐH.
- Hình 2.5 Giao thoa lưới Sự dự đoán của hiện tượng KĐĐH phức tạp như Flutter và giới hạn của số bước lặp tính toán ảnh hưởng lớn đến tính bảo toàn.
- Sự phân tích Modal của chuyển động kết cấu được viết như: KM.
- Khi khảo sát hiện tượng Flutter uốn-xoắn cánh thì Mode 1 và Mode 2 chính là những kiểu dao động quan trọng chi phối đến dao động của cánh.
- Tìm được phương pháp đúng là điều kiện cần để tiến hành khảo sát hiện tượng KĐĐH trên một đối tượng khác.
- Hình 3.3 Bộ gá thí nghiệm 3.3 Kết quả thực nghiệm 3.3.1.
- Thực nghiệm với ống khí động a.
- Dựa vào kết quả quan sát và sử dụng máy đo tần, hệ thống đo lực loadcell và máy quay ghi lại, đã chứng minh hiện tượng flutter đã xảy ra trên mô hình cánh Agard kết cấu gỗ balsa đặc và kết quả đo tần số được thể hiện ở bảng 3.2 dưới đây.
- Hiện tượng flutter không xảy ra trên cánh Agard có kết cấu rỗng kết hợp nhiều vật liệu.
- Bảng 3.2 Tần số vẫy trên cánh Agard kết cấu gỗ balsa đặc Góc tấn (0) Vận tốc xảy ra vẫy (m/s) Vận tốc flutter (m/s) Tần số (Hz) Tần số trung bình (Hz b.
- Sau khi tăng vận tốc dòng khí trong ống khí động từ 0 đến khi xảy ra vận tốc tới hạn của cánh kết cấu gỗ balsa đặc là 19.5 m/s.
- 57 Hình 3.5 Biến thiên lực tác động gốc cánh kết cấu gỗ balsa đặc tại vận tốc flutter c.
- Nhận xét Bằng phương pháp thực nghiệm cho thấy hiện tượng flutter xảy ra đối với mẫu cánh Agard có kết cấu gỗ balsa đặc trong giải vận tốc của ống khí động, nhưng hiện tượng này không xảy ra với mẫu cánh Agard có kết cấu rỗng kết hợp nhiều vật liệu.
- Nguyên nhân là do cánh Agard có kết cấu rỗng kết hợp nhiều vật liệu có kết cấu vững chắc hơn ngăn ngừa hiện tượng flutter xảy ra khi thử nghiệm với giải vận tốc của ống khí động.
- Thực nghiệm cũng chứng minh rằng việc kết hợp nhiều vật liệu sẽ mang lại hiệu quả cao trong việc ngăn ngừa hiện tượng flutter xảy ra trên cánh các khí cụ bay.
- Sử dụng máy đo tần số và hệ thống đo lực loadcell, bài thực nghiệm đã xác định được tần số dao động của cánh, lực tác động gốc cánh tại vận tốc xảy ra hiện tượng flutter.
- Cánh được lắp trên máy rung Hình 3.6 Hệ thống thực nghiệm máy tạo rung Sử dụng hai mẫu cánh dùng trong thực nghiệm hiện tượng đàn hồi khí động với ống khí động ở trên cho việc thực nghiệm trên máy tạo rung ta thu được các kết quả như sau.
- Ở cùng mode dao động số 1 khi tăng lực tác dụng vào cánh thì biên độ dao động của cánh đặc lớn hơn cánh có kết cấu (Hình 3.7).
- Vậy cánh kết cấu đặc dễ xảy ra hiện tượng cộng hưởng hơn cánh có kết cấu.
- Nhận xét 60 Thực nghiệm trên máy tạo rung cho phép chúng ta xác định tần số dao động riêng của các mẫu cánh kết cấu khác được thể hiện trong hai bảng 3.3 và 3.4.
- Việc này giúp ích rất nhiều trong nghiên cứu hiện tượng KĐĐH.
- Hệ thống máy rung hứa hẹn sẽ mạng lại nhiều hiệu quả trong thực nghiệm nói chung và thực nghiệm hiện tượng KĐĐH nói riêng.
- Phương pháp phân tích hiện tượng KĐĐH xây dựng trong luận văn này sử dụng phương pháp mô phỏng số có kinh tế cao nhưng vẫn có khả năng giải quyết bài toán KĐĐH nhờ sử dụng hệ thống Coupling kết hợp hai bộ giải kết cấu (ANSYS Fluent) và khí động (ANSYS Mechanical).
- Thực nghiệm nhiều trường hợp khác ở các góc tấn khác nhau, tăng vận tốc lớn hơn, nghiên cứu sự thay đổi áp suất trên cánh khi xảy ra hiện tượng flutter… 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G

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