- HOÀNG TIẾN ĐẠT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TIẾN ĐẠT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI CHONG CHÓNG MANG CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƢỜI LÁI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CLC2017A HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TIẾN ĐẠT NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI CHONG CHÓNG MANG CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƢỜI LÁI Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. - NGUYỄN PHÖ KHÁNH HÀ NỘI – 2018 CỘNG HÕA 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 Tiến Đạt Đề tài luận văn: Nghiên cứu hiện tƣợng khí động đàn hồi chong chóng mang của máy bay trực thăng không ngƣời lái Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CAC17004 Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày với các nội dung sau. - Nguyễn Phú Khánh TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI CHONG CHÓNG MANG CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƢỜI LÁI Tóm tắt: Đàn hồi khí động là một vấn đề quan trọng cần xem xét trong giai đoạn đầu của thiết kế UAV. - Vì vậy cần tính toán phạm vi bay an toàn của máy bay, gồm có độ cao và vận tốc, trƣớc tiên là an toàn với bộ phận dễ bị ảnh hƣởng nhất, đó là cánh máy bay. - Keywords:.UAV (Unmanned Aerial Vehicle), Helicopter, Main Rotor, Aeroelastic, Computer Aided Engineering (CAE) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MÁY BAY TRỰC THĂNG, MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƢỜI LÁI. - Nguyên lí của máy bay trực thăng. - Tóm tắt lịch sử phát triển của máy bay trực thăng. - Máy bay trực thăng và các bộ phận chính. - Phân loại máy bay trực thăng. - Máy bay trực thăng không ngƣời lái. - 14 CHƢƠNG 2: HIỆN TƢỢNG ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG. - Lịch sử nghiên cứu hiện tƣợng đàn hồi khí động. - Hiện tƣợng đàn hồi khí động trên cánh trực thăng. - Phƣơng pháp nghiên cứu hiện tƣợng đàn hồi khí động. - 49 LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình thiết kế một mẫu máy bay mới, ngƣời kỹ sƣ cần quan tâm đến rất nhiều vấn đề liên quan đến phần kết cấu, khí động, điện, điện tử, vật liệu. - Trong đó, độ bền của máy bay là một chỉ tiêu quan trọng cần xem xét ngay trong những giai đoạn đầu tiên của quá trình thiết kế. - Trong đó độ bền động là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng cứng vững của máy bay khi chịu tác dụng của lực khí động, trọng lực, lực quán tính, lực đàn hồi. - Bài toán phân tích sự tƣơng tác giữa các lực nêu trên là một bài toán phức tạp, khó có lời giải chính xác nhƣng rất quan trọng trong việc thiết kế, kiểm nghiệm và sử dụng mẫu máy bay. - Trong luận văn tốt nghiệp này, phƣơng pháp mô phỏng số đƣợc sử dụng để khảo sát hiện tƣợng đàn hồi khí động trên đối tƣợng cánh máy bay trực thăng UAV. - Nội dung luận văn tốt nghiệp đƣợc trình bày thành 4 chƣơng chính: Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái Chƣơng 2: Hiện tƣợng đàn hồi khí động Chƣơng 3: Ứng dụng mô phỏng số trong phân tích đàn hồi khí động Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MÁY BAY TRỰC THĂNG, MÁY BAY TRỰC THĂNG KHÔNG NGƢỜI LÁI 1.1. - Nguyên lí của máy bay trực thăng 1.1.1. - Tóm tắt lịch sử phát triển của máy bay trực thăng Ý tƣởng tạo ra khí cụ bay có cánh quạt để tạo ra lực nâng đã đƣợc Lê-ô-na-đơ-vanh-xi đề xuất đầu tiên vào năm 1475. - ô-na--vanh-xi Năm 1754, M.V.Lơ-ma-nô-xốp đã lập luận về khả năng tạo ra khí cụ bay nặng hơn không khí và đã xây dựng mô hình máy bay trực thăng có hai chong chóng mang (CCM) bố trí đồng trục. - Vào cuối thể kỷ XIX, các nhà bác học lỗi lạc ngƣời Nga nhƣ D.I.Men-đê-lê-ép, L.E.Xi-ôn-kốp-ski, N.E.Giu-kốp-ski, S.A.Tráp-lƣ-ghin, đã thiết kế nhiều khí cụ Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 2 bay. - Vào năm 1911, ngƣời học trò gần gũi nhất của N.E.Giu-kốp-ski là B.N.Iuriep đã thiết kế máy bay trực thăng một CCM, có chong chóng lái (CCL) và đã thiết kế cơ cấu chủ yếu để điều khiển MBTT – cơ cấu làm lệch chong chóng mang. - Năm 1932 kỹ sƣ trƣởng A.M.Trê-rê-mƣ-khin, trên chiếc máy bay này đã lập kỉ lục thế giới về độ cao lúc đó là 605 m. - Cũng trong năm đó đã hoàn thành chuyến bay đầu tiên của MBTT có hai CCM bố trí theo sơ đồ dọc ЯK-24 , đƣợc mệnh danh là “toa xe bay” do A.S.Iakốplép thiết kế (Hình Năm 1958, đã chế tạo máy bay trực thăng hạng nặng Mi-6, đã lập một số kỷ lục thế giới về tốc độ bay và khả năng mang tải. - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 3 Năm 1961, đã chế tạo MBTT có động cơ tuabin khí Mi-2 và Mi-8 (Hình 1.4). - Các máy bay này đã đƣợc chế tạo hàng loạt để thay thế cho các máy bay Mi-1 và Mi-4. - Chúng là phƣơng tiện vận tải chủ yếu ở những chỗ không thể sử dụng đƣợc máy bay thƣờng và phƣơng tiện vận tải mặt đất. - Máy bay trực thăng và các bộ phận chính MBTT – khí cụ bay nặng hơn không khí . - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 4 1.6. - Chong chóng mang (CCM): đƣợc truyền chuyển động từ động cơ Thân máy bay: dùng để bố trí phi hành đoàn, hành khách, các trang thiết bị và hàng hóa. - Chong chóng lái (CCL): đảm bảo sự cân bằng trên đƣờng bay và điều khiển đƣờng bay của máy bay. - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 5 1.7. - Nếu lực kéo bằng trọng lƣợng của máy bay trực thăng thì nó bay treo tại chỗ trong không khí (Hình 1.7a). - Nếu lực kéo lớn hơn trọng lƣợng, máy bay chuyển từ bay treo sang bay lên thẳng đứng (Hình 1.7b), khi lực kéo nhỏ hơn trọng lƣợng – máy bay hạ cánh thẳng đứng. - Dƣới tác dụng của lực này máy bay chuyển động về phía trƣớc (Hình 1.7c). - Khi mặt phẳng quay của CCM lệch về phía sau máy bay chuyển động về phía sau (Hình 1.7d). - Khi mặt phẳng quay lệch về phía bên phải hay bên trái gây ra sự chuyển động của máy bay về phía tƣơng ứng. - Phân loại máy bay trực thăng Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 6 Đặc điểm chủ yếu để phân loại MBTT là số CCM và việc bố trí chúng theo số CCM, MBTT có thể chia ra loại có một, hai và nhiều CCM. - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 7 b. - Các máy bay này có nhƣợc điểm lớn: Hệ thống truyền động và điều khiển phức tạp. - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 8 1.2. - Là đƣờng kính của đƣờng tròn mà các đầu mút cánh chuyển động Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 9 Nếu kí hiệu đƣờng kính là D, bán kính là R, bán kính của mỗi phân tố cánh là r thì: Tỷ số giữa bán kính của phân tố với bán kính của CCM gọi là bán kính tƣơng đối, ký hiệu là. - Về hình dạng chung, cánh của MBTT cũng tƣơng tự nhƣ cánh của máy bay cánh bằng. - Profil của cánh CCM cũng giống nhƣ profil của cánh máy bay. - là khoảng cách lớn nhất từ đƣờng trung bình của profil tới dây cung Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái . - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 11 Ở các phân tố khác nhau thì góc đặt cũng khác nhau. - Là diện tích hình tròn do các đầu cánh vạch ra Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 12. - (1.1) Đặc trƣng này của CCM cũng có ý nghĩa nhƣ diện tích cánh máy bay nghĩa là nó cũng giống nhƣ diện tích của mặt mang. - Là tỷ số giữa trọng lƣợng của máy bay với diện tích quét của CCM. - (1.2) Trong đó: p: là phụ tải riêng G: là trọng lƣợng của máy bay F: là diện tích quét Ở MBTT hạng nhẹ. - ở máy bay hạng nhẹ 3-4 cánh. - Khi MBTT bay treo, Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 13 bay lên hay hạ cánh theo phƣơng thẳng đứng thì CCM làm việc ở chế độ chảy bao dọc trục. - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái 14 1.3. - Máy bay trực thăng không ngƣời lái Máy bay không ngƣời lái (viết tắt tiếng Anh: UAV - Unmanned aerial vehicle) là tên gọi chỉ chung cho các loại máy bay mà không có phi công ở buồng lái và đƣợc điều khiển từ xa từ trung tâm. - Máy bay theo nghĩa truyền thống đƣợc trang bị hệ thống điều khiển và lái tự động, đƣợc gọi là UAS (unmanned aircraft system), xuất hiện từ những năm 1950 và đã từng phục vụ việc do thám và trinh sát chiến trƣờng. - Loại tổ hợp máy bay này có khả năng tự động hóa các hoạt động của máy bay cao, không đòi hỏi những trang thiết bị hàng không đặc chủng, giá thành khai thác sử dụng và bảo trì hệ thống để phục vụ lâu dài rẻ, trong quân sự loại máy bay này có đặc tính tấn công chớp nhoáng. - Chƣơng 1: Tổng quan máy bay trực thăng, máy bay trực thăng không ngƣời lái . - Một số chế độ làm việc chủ yếu của UAV trực thăng - Cất cánh (chế độ làm việc mang tải lớn, lực kéo của chong chóng mang phải thắng đƣợc trọng lực của máy bay. - Bay treo (chế độ làm việc với tổng lực và momen tác dụng lên máy bay bằng 0, máy bay giữ nguyên vị trí trong không gian. - Lịch sử nghiên cứu hiện tƣợng đàn hồi khí động Khi nghiên cứu về động lực học bay thƣờng coi máy bay nhƣ chất điểm (để nghiên cứu các đặc tính bay) hoặc coi máy bay nhƣ một vật thể cứng tuyệt đối, có thể chuyển động theo các trục và quay quanh các trục (để nghiên cứu ổn định và điều khiển). - Thực tế máy bay không phải là vật cứng tuyệt đối, trƣớc tác dụng của ngoại lực, chuyển vị và biến dạng của các thành phần kết cấu làm thay đổi đặc tính khí động cũng nhƣ hạn chế khả năng chịu tải của kết cấu. - Có thể nói, độ cứng của kết cấu máy bay là nguyên nhân quyết định đến việc xuất hiện hoặc loại trừ các hiện tƣợng Đàn Hồi Khí Động (ĐHKĐ). - Tuy nhiên, vào trƣớc những năm 1930 khi mà các máy bay còn có tốc độ bay nhỏ, vật liệu kết cấu chủ yếu là gỗ, vải ép, hợp kim nhôm. - Đầu năm 1930 xảy ra tai nạn bay do hiện tƣợng xoắn phá huỷ ở máy bay một tầng cánh của giáo sƣ Samuel Langleye (Mỹ). - Nguyên nhân là cánh của máy bay có độ cứng chống xoắn. - Cũng trong thời kỳ đó, với máy bay hai tầng cánh, hai anh em Wright luôn bay thành công, khi đó ngƣời ta có cảm tƣởng rằng máy bay hai tầng cánh bền hơn, nên ở Mỹ đến cuối chiến tranh thế giới lần thứ nhất ngƣời ta sản xuất chủ yếu loại máy bay hai tầng cánh (Thực chất độ cứng của máy bay hai tầng cánh lớn hơn do các thanh chống giữ và nối lại hai tầng cánh vừa tăng độ cứng và tham gia chịu mô men xoắn). - Chƣơng 2: Hiện tƣợng đàn hồi khí động 17 Do yêu cầu về tốc độ bay lớn, trọng lƣợng kết cấu nhỏ, nên ngƣời ta đã lại phải nghiên cứu về sản xuất máy bay một tầng cánh. - Ở Đức thời gian đó ngƣời ta sử dụng máy bay tiêm kích Fokker-D8 là máy bay một tầng cánh đặt trên thân, nó đạt tốc độ nhanh hơn, nhẹ hơn các loại máy bay thời kỳ đó. - Song cũng do độ cứng chống xoắn nhỏ mà đã xảy ra nhiều tai nạn ở loại máy bay này. - Ở máy bay hai tầng cánh, tốc độ nhỏ, thì hệ thống chịu mômen xoắn của cánh rất lớn, đủ khả năng chống lại biến dạng. - Ví dụ nhƣ máy bay chiến đấu Handley-page 0/400 của Anh trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, máy bay có hai đuôi đứng và đuôi ngang, rất nhạy với hiện tƣợng rung kiểu flutter, đã nhiều lần xảy ra rung động mạnh dẫn đến phá huỷ kết cấu khi đang bay. - Nguyên nhân chính dẫn đến các tai nạn ở máy bay này là do kết cấu nối hai phần cánh lái lên xuống không đủ cứng (nối qua hệ thống dây) và cũng do các cánh lái không đƣợc cân bằng tuyệt đối. - Cũng với nguyên nhân tƣơng tự đã xảy ra rất nhiều tai nạn với các loại máy bay khác của Anh, ví dụ nhƣ ở máy bay DH-9. - Vào những năm 30 của thế kỷ XX, do cần tăng tốc độ bay ngƣời ta sử dụng máy bay 1 tầng cánh, nhiều tai nạn do các hiện tƣợng ĐHKĐ gây nên lại xuất hiện. - Tốc độ máy bay càng tăng thì càng xuất hiện nhiều dạng ĐHKĐ khác nhau và vấn đề ĐHKĐ ngày càng trở nên quan trọng hơn đối với các nhà thiết kế máy bay. - Khi trọng lƣợng máy bay tăng, sải cánh tăng sẽ cần phải nghiên cứu ảnh hƣởng của biến dạng đàn hồi khi máy bay bay qua dòng nhiễu động. - Trong thời gian trƣớc chiến tranh thế giới thứ hai, do các tấm điều khiển trợ lực trên máy bay có độ cứng quá nhỏ hoặc không đựơc cân bằng nên đã xuất hiện nhiều dạng flutter khác nhau, gây nhiều tai nạn cho các máy bay tiêm kích. - Khi tốc độ bay đạt gần tới tốc độ âm thanh thì lại xuất hiện nhiều loại rung lắc kiểu Bafting ở đuôi máy bay cũng nhƣ hiện tƣợng flutter trên máy bay. - Cũng do rung động, lắc và do không quan tâm, nghiên cứu đầy đủ về vấn đề ĐHKĐ mà nhiều loại máy bay không sử dụng đƣợc (nhƣ máy bay vận tải với động cơ tua bin cánh quạt Lockheed Electra vào những năm 1960). - Chƣơng 2: Hiện tƣợng đàn hồi khí động 18 Ngày nay với sự phát triển của máy tính, kỹ thuật làm mô hình và thử nghiệm trong ống khí động, vấn đề ĐHKĐ đã đựơc nghiên cứu đầy đủ và kỹ lƣỡng hơn và ĐHKĐ đã trở thành một ngành khoa học nhƣ các ngành khí động học, cơ học bay, cơ kết cấu cũng nhƣ các ngành khoa học khác trong thiết kế, chế tạo máy bay. - Đối tƣợng nghiên cứu và phân loại hiện tƣợng “Đàn hồi khí động” là ngành khoa học nghiên cứu sự tác động qua lại giữa lực khí động và vật thể đàn hồi, chính vì thế mà vấn đề máy bay sẽ không còn ý nghĩa nếu nhƣ kết cấu cứng tuyệt đối. - Các máy bay hiện nay thƣờng có tốc độ bay lớn, kết cấu đàn hồi và biến dạng, đây là nguyên nhân gây ra các hiện tƣợng ĐHKĐ khác nhau. - độ bền động…, thì ĐHKĐ là một ngành khoa học đóng vai trò quan trọng không thể thiếu đƣợc trong công nghệ thiết kế chế tạo, nhất là để chế tạo ra các máy bay vừa có tốc độ bay cao, trọng lƣợng kết cấu nhỏ, lại đảm bảo đủ bền, ổn định, đồng thời ngăn ngừa các hiện tƣợng ĐHKĐ. - Để đạt đƣợc những yêu cầu trong thiết kế đặt ra và hạn chế đƣợc chính những mâu thuẫn trong các yêu cầu thiết kế, đòi hỏi các nhà khoa học cần lựa chọn giải pháp thiết kế tối ƣu, vật liệu kết cấu phù hợp, cũng nhƣ tính toán phối trí máy bay một cách hợp lý nhất. - Chƣơng 2: Hiện tƣợng đàn hồi khí động . - Hiện tƣợng flutter (hiện tƣợng rung, lắc kết cấu): bản chất của hiện tƣợng này là dao động 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). - Chƣơng 2: Hiện tƣợng đàn hồi khí động 22 2.2.2. - (2.11) Chƣơng 2: Hiện tƣợng đàn hồi khí động 26 Trong đó: [Q. - Chƣơng 3: Ứng dụng mô phỏng số trong phân tích đàn hồi khí động 34 3.2. - Từ đó đồ thị đƣợc đƣa ra để lựa chọn các thông số hợp lý với tải trọng của máy bay. - Chƣơng 3: Ứng dụng mô phỏng số trong phân tích đàn hồi khí động 36 3.2.2. - Chƣơng 3: Ứng dụng mô phỏng số trong phân tích đàn hồi khí động 38 3.2.3. - Tìm hiểu về máy bay trực thăng cũng nhƣ UAV trực thăng. - Phân tích hiện tƣợng đàn hồi khí động trên cánh máy bay trực thăng bằng mô phỏng số tƣơng tác dòng chảy – kết cấu 2 chiều (2-way FSI). - Tài liệu tham khảo 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Mịch, Giáo trình máy bay trực thăng, 2009. - [5] Hoàng Đức Minh, Nghiên cứu hiện tƣợng đàn hồi khí động cánh máy bay bằng mô phỏng số, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2013
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt