Đặt vấn đề Như đã đề cập ở trên, trong những năm gần đây, ngành công nghiệp Drone trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đã chứng kiến sự tăng trưởng nhanh chóng. Theo báo cáo từ Drone Industry Insights , các dòng Drone nông nghiệp hiện nay đã phát triển đáng kể, được tích hợp nhiều cảm biến và ứng dụng hỗ trợ giúp người dùng dễ dàng tiếp cận hơn. Các công nghệ tiên tiến như hệ thống điều khiển, nhận dạng, thu thập dữ liệu và phun thuốc trừ sâu đã được áp dụng rộng rãi, mở ra tiềm năng cải thiện đáng kể năng suất và hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên, một vấn đề đáng chú ý là còn khá ít các nghiên cứu liên quan đến thiết kế kết cấu và vật liệu của Drone, đặc biệt là các giải pháp liên quan đến việc sử dụng nhôm liền khối, một lựa chọn tiềm năng cho việc cải thiện độ bền và hiệu quả hoạt động của Drone.
Một vấn đề rõ ràng là các Drone nông nghiệp tại Việt Nam hiện nay chủ yếu được sản xuất hoặc mua và lắp đặt theo kiểu module, với khả năng tháo lắp và vật liệu thường không đồng nhất, dẫn đến sự không đồng nhất trong sản xuất. Điều này không những ảnh hưởng đến độ bền trong thực tế sử dụng mà còn làm giảm hiệu suất tổng Võ Huỳnh Quốc Sự 4 thể của các thiết bị, bên cạnh sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp hàng hóa, vật tư từ ngoài nước. Vấn đề về độ bền và hiệu suất bị ảnh hưởng của Drone nông nghiệp hiện tại có thể liên quan đến việc sử dụng các loại vật liệu không đồng nhất và thiết kế theo module, khiến cho các Drone này không đạt được sự ổn định và khả năng chịu tải cần thiết. Sự không đồng nhất trong kết cấu cũng gây khó khăn trong việc bảo trì và nâng cấp thiết bị sau này.
Để giải quyết các thách thức hiện tại trong việc sản xuất Drone, cần có sự đầu tư nghiêm túc vào nghiên cứu về vật liệu cũng như thiết kế cấu trúc tối ưu, đặc biệt là đối với các Drone sử dụng trong nông nghiệp. Những Drone này cần phải đáp ứng các yêu cầu cao về độ bền và khả năng chống chịu với điều kiện thời tiết và môi trường khắc nghiệt. Việc cải tiến này không chỉ tăng cường hiệu suất làm việc của Drone mà còn kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo dưỡng. Đặc biệt, việc phát triển các giải pháp cải thiện cấu trúc và vật liệu, đồng thời nắm giữ công nghệ chế tạo cho Drone nông nghiệp là thiết yếu để giảm phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, nâng cao khả năng tự chủ công nghệ cho ngành nông nghiệp của Việt Nam.
Mặc dù hiện nay phần lớn các máy bay đều sử dụng nhôm, nhưng chưa có Drone nào được thiết kế với khung chính hoàn toàn bằng hợp kim nhôm. Sử dụng các hợp kim nhôm cho kết cấu Drone nông nghiệp kì vòng có thể giảm đáng kể trọng lượng tổng thể trong khi vẫn đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải cao. Tổng kết lại, việc chế tạo Drone nông nghiệp từ một khối liền thân với vật liệu đồng nhất, ở đây là hợp kim nhôm, kì vọng mang lại nhiều đặc tính có lợi về kết cấu, độ bền, và hiệu suất bay bên cạnh tính khả thi của việc chế tạo. Đây cũng là xuất phát điểm của đề tài luận văn này.
Các nghiên cứu liên quan Phần này sẽ tổng hợp một số nghiên cứu liên quan đã được thực hiện trên thế giới và việt nam, từ đó xác định những khoảng trống cần được khai thác và cung cấp một cơ Võ Huỳnh Quốc Sự 5 sở cho các phân tích và mô phỏng sẽ được trình bày trong các chương sau của luận văn. Các nghiên cứu được trích dẫn bên dưới không chỉ làm rõ các tiến bộ gần đây trong lĩnh vực này mà còn chỉ ra những thách thức và cơ hội mà các nhà khoa học và kỹ sư đang đối mặt khi thiết kế và sản xuất Drone nông nghiệp hiệu quả và bền vững. Các Nghiên Cứu Liên Quan Đặc tính Kết Cấu của Drone Trong Nông Nghiệp • Nhóm nghiên cứu của ông Pilli và cộng sự đã tập trung vào việc phân tích sức bền kết cấu của Drone nông nghiệp Hexacopter bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS. Các tác giả đã tiến hành đánh giá các vật liệu phù hợp và đề xuất các giải pháp nhằm tối ưu hóa hiệu suất của Drone.
• Nhóm nghiên cứa của ông Devaiah malkapuram và cộng sự đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo một Drone Hexacopter nông nghiệp với khả năng chịu tải cao, lực đẩy mạnh và hiệu suất cải thiện trong điều kiện gió mạnh. Drone được tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động hóa mô hình bay, đảm bảo hiệu quả hoạt động cao. • Bài báo do ông Sagar và nhóm nghiên cứu giới thiệu cấu trúc Drone quadcopter nguyên khối được tối ưu hóa về trọng lượng, đảm bảo độ bền nhờ sử dụng công nghệ in 3D nhựa. Phân tích mô hình lý thuyết và thử nghiệm thực tế khẳng định tính vượt trội về khả năng chịu lực và hiệu suất vận hành.
• Nhóm tác giả Dương Văn Hòa và cộng sự đã nghiên cứu trình bày tính toán thiết kế kết cấu cho máy bay nông nghiệp tải 10 lít, đáp ứng các yêu cầu của tình hình hiện tại tại đất nước chúng ta. Thiết kế dựa trên phân tích khả năng chịu tải của kết cấu bằng Phương pháp Phần tử Hữu hạn và tiêu chuẩn Tsai- Wu được áp dụng cho các vật liệu composite. Có thể thấy, đa phần các nghiên cứu đều dừng lại ở việc kiểm tra độ bền tĩnh kết cấu, đồng thời nghiên cứu hướng thiết kế lắp ghép mô đun cho Drone và vật liệu sử dụng Võ Huỳnh Quốc Sự 6 là composite. Chưa có nghiên cứu về Drone liền khối tích hợp bình thuốc và bằng vật liệu nhôm, đây cũng là yếu tố để định hướng đề tài cho luận văn này.2 Mục tiêu của luận văn Mục tiêu của nghiên cứu này là thiết kế và đánh giá đặc tính kết cấu của drone nông nghiệp bình thuốc tích hợp liền khối bằng nhôm sử dụng công nghệ in 3D.
Việc phát triển mô hình drone liền khối với tải trọng bình thuốc 10 lít không chỉ hứa hẹn cải thiện độ bền của kết cấu và khối lượng tổng của drone, mà còn kiểm chứng tính khả thi của việc chế tạo bằng phương pháp in 3D. Qua việc phân tích ba mô hình drone khác nhau (mô hình truyền thống, mô hình cải tiến thân chính liền khối và mô hình bình thuốc tích hợp liền khối…) bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thông qua phần mềm ANSYS, nghiên cứu này kì vọng sẽ xác định mô hình phù hợp nhất về độ bền, tải trọng để từ đó góp phần cải thiện hiệu suất bay, từ đó kỳ vọng góp phần chứng minh rằng mô hình drone liền khối hoàn toàn bằng vật liệu nhôm theo hướng đề tài luận văn là khả thi về đặc tính kết cấu lẫn, hiệu quả hiệu suất hoạt động và về khả thi chế tạo. Nghiên cứu này không chỉ góp phần lấp đầy khoảng trống trong các nghiên cứu hiện tại về các đặt tính về kết cấu cho drone, bổ sung thêm việc làm rõ ứng dụng của in 3D trong sản xuất UAV liền khối bằng nhôm nói riêng và các cấu kiện in 3D kim loại nói chung, mà còn thay đổi các quan niệm hiện tại về khả năng sản xuất và tính ứng dụng của các kết cấu liền khối trong ngành công nghiệp drone nông nghiệp. Việc nắm giữ công nghệ chế tạo này không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào nhà cung cấp linh kiện nước ngoài mà còn tăng cường khả năng cạnh tranh của Việt Nam trên trường quốc tế.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tại bộ môn Kỹ Thuật Hàng Không - trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Dương Văn Hòa và nhóm nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế hoàn chỉnh của máy bay không người lái hình dạng hình chữ X sử dụng vật liệu sợi các-bon, đặc biệt là các thành phần của khung chính.
Ngoài ra, luận văn đã xác minh tính chất vật liệu dự đoán thông qua thí nghiệm thực tiễn. Võ Huỳnh Quốc Sự 7 Luận văn này hoàn thiện cho hướng nghiên cứu về kết cấu và đặc tính kết cấu của việc tích hợp bình thuốc vào thân máy bay hợp kim nhôm bằng cách tham khảo, hiệu chỉnh và xây dựng lại 03 mô hình khung chính : mô hình 1 - lấy ý tưởng, tham khảo và xây dựng lại từ mô hình Drone có khả năng mang theo thuốc bảo vệ thực vật dạng lỏng 10 lít; thực hiện phun thuốc trong quá trình bay; thời gian bay đủ để phun hết lượng thuốc mang theo khoảng từ 10-15 phút theo nghiên cứu của nhóm Dương Văn Hòa, mô hình 2 xây dựng từ mô hình 1 có thay đổi là thân chính liền khối một loại vật liệu là nhôm thay vì lắp ghép, mô hình 3 xây dựng theo ý tưởng luận văn – mô hình Drone tích hợp bình thuốc trừ sâu liền khối bằng vật liệu hợp kim nhôm. Bằng cách so sánh ba mô hình với nhau và phân tích chúng bằng công cụ phần mềm ANSYS, luận văn nhằm đánh giá các đặc tính về kết cấu cho Drone tích hợp bình thuốc trừ sâu liền khối bằng hợp kim nhôm, đảm bảo khả năng chịu tải, đặc tính kết cấu, đồng thời đảm bảo tính khả thi về chế tạo. Cuối cùng, đánh giá tính khả thi của việc tích hợp bình thuốc vào bên trong thân máy bay.4 Phương pháp nghiên cứu Đề tài luận văn này tập trung vào việc đánh giá đặc tính kết cấu của máy bay bình thuốc trừ sâu tích hợp, với mục tiêu cải tiến và tối ưu hóa cấu trúc cho loại Drone có khả năng mang bình thuốc 10 lít.
Những bước chính được đề cập bao gồm: Bước 1: Tổng hợp và Tham khảo Các Nghiên Cứu Liên Quan • Mục đích: Thu thập thông tin và nghiên cứu hiện có về kết cấu Drone, cũng như phân tích bền tĩnh, động cấu trúc và mỏi cho máy bay nói chung và Drone nông nghiệp nói riêng. • Kết quả mong đợi: Xác định, tham khảo được những tiêu chuẩn thiết kế cần thiết và những vấn đề còn tồn tại trong các nghiên cứu trước đây để định hướng cho thiết kế. Bước 2: Thiết kế Mô Hình 3D Sử Dụng SolidWorks • Mục đích: Tạo ra ba mô hình thiết kế khác nhau của thân chính Drone nông nghiệp, thỏa mãn các yêu cầu về kích thước và định hướng thiết kế của đề tài. Võ Huỳnh Quốc Sự 8 • Kết quả mong đợi: Có được các mô hình cơ sở để tiến hành phân tích và so sánh hiệu quả.