Luận văn: Nghiên cứu chế tạo kết cấu từ gỗ Balsa và vật liệu composite cho UAV

Luận văn thạc sĩ trình bày nghiên cứu, chế tạo kết cấu tổng hợp từ gỗ Balsa và vật liệu composite ứng dụng cho máy bay không người lái (UAV).

• Tác giả: Nguyễn Việt Anh
• Người hướng dẫn: TS. Định Tân Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu, Chế Tạo Kết Cấu Tổng Hợp Từ Gỗ Balsa Và Vật Liệu Composite Cho Máy Bay Không Người Lái
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Kết Cấu UAV Từ Gỗ Balsa Và Composite

Chế tạo kết cấu máy bay không người lái (UAV) từ gỗ Balsa và vật liệu composite đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành hàng không. Gỗ Balsa nổi bật với những đặc tính vượt trội như nhẹ, bền và dễ gia công, trong khi vật liệu composite mang lại độ cứng cao và khả năng chịu lực tốt. Sự kết hợp giữa hai loại vật liệu này tạo ra những kết cấu tối ưu về trọng lượng và hiệu năng. Luận văn thạc sĩ về chủ đề này tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo những kết cấu hybrid đạt chất lượng cao nhất, phục vụ cho các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực hàng không dân dụng và công nghiệp.

1.1. Giới Thiệu Về Vật Liệu Gỗ Balsa

Gỗ Balsa là một loại gỗ nhẹ có khối lượng riêng thấp, được sử dụng rộng rãi trong chế tạo kết cấu UAV. Với mật độ từ 100-300 kg/m³, gỗ Balsa cung cấp khả năng chịu lực tốt mà không làm tăng trọng lượng máy bay. Vật liệu này dễ gia công, có tính chất đẳng hướng tốt và chi phí phải chăng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các mẫu máy bay prototype và các ứng dụng thực tế.

1.2. Vai Trò Của Vật Liệu Composite

Vật liệu composite gồm sợi thủy tinh, sợi carbon và nhựa epoxy cung cấp những tính chất cơ học vượt trội. Sự kết hợp này giúp tăng cường độ bền uốn, chống xoắn và chịu lực kéo của kết cấu. Sợi carbon weave và sợi Kevlar được sử dụng để tạo các lớp ngoài bảo vệ, trong khi lõi gỗ Balsa hoạt động như vật liệu lõi sandwich, tối ưu hóa tỷ lệ độ cứng-trọng lượng của UAV.

II. Quy Trình Nghiên Cứu Và Thiết Kế Kết Cấu

Quy trình nghiên cứu chế tạo kết cấu composite bao gồm nhiều giai đoạn từ thiết kế đến sản xuất và thử nghiệm. Đầu tiên, các kỹ sư thực hiện mô phỏng FEA (Finite Element Analysis) để phân tích ứng suất và biến dạng của kết cấu. Sau đó, các mẫu mô hình được chế tạo với các gân Balsa khác nhau để tối ưu hóa hiệu năng. Các thử nghiệm thực nghiệm như kiểm tra độ cứng, sức chịu lực và độ bền được tiến hành song song với mô phỏng. Cuối cùng, kết quả được so sánh giữa dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm để xác nhận tính chính xác của thiết kế và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Ứng Dụng Phân Tích Phần Tử Hữu Hạn FEA

FEA là công cụ quan trọng trong việc mô phỏng các kết cấu máy bay phức tạp. Phương pháp này cho phép các kỹ sư phân tích các lực tác động như lực nâng, lực tải và mô men xoắn trên kết cấu. Bằng cách rời rạc hóa mô hình thành hàng triệu phần tử nhỏ, FEA có thể dự đoán chính xác hành vi của vật liệu dưới các điều kiện tải khác nhau, giúp tối ưu hóa thiết kế trước khi sản xuất.

2.2. Thiết Kế Kết Cấu Dạng Sandwich Hybrid

Kết cấu sandwich hybrid kết hợp lõi gỗ Balsa với lớp vỏ composite là giải pháp tối ưu. Thiết kế này cải thiện đáng kể tỷ lệ độ cứng-trọng lượng so với vật liệu đơn. Các mẫu mô hình được chế tạo với số lượng gân Balsa khác nhau (6, 12 gân) để xác định cấu hình tối ưu nhất cho ứng dụng UAV cụ thể.

III. Vật Liệu Và Đặc Tính Cơ Học

Các vật liệu sử dụng trong chế tạo kết cấu UAV bao gồm nhiều loại với đặc tính cơ học khác nhau. Nhựa Polyester và Vinylester được dùng làm ma trận kết dính, trong khi các loại sợi như sợi thủy tinh woven, sợi carbon Twill, Plain và sợi Kevlar cung cấp độ bền. Gỗ Balsa với hai loại khối lượng riêng (cao và thấp) mang lại tính linh hoạt trong thiết kế. Các vật liệu lõi dạng foam PVC và tấm xốp được sử dụng để tối ưu hóa trọng lượng. Đường đặc tính ứng suất-biến dạng của từng vật liệu được xác định thông qua thử nghiệm, cung cấp dữ liệu quan trọng cho mô phỏng và thiết kế kết cấu chính xác.

3.1. Đặc Tính Của Gỗ Balsa HD Và LD

Gỗ Balsa tồn tại với hai mức khối lượng riêng: HD (High Density - mật độ cao) và LD (Low Density - mật độ thấp). Balsa HD có khối lượng riêng cao hơn, cung cấp độ cứng và sức chịu lực lớn hơn, phù hợp cho các vùng chịu tải cao. Balsa LD nhẹ hơn, thích hợp cho các bộ phận yêu cầu giảm trọng lượng tối đa mà vẫn đảm bảo đủ độ cứng.

3.2. Sợi Composite Và Ma Trận Nhựa

Sợi carbon dạng Twill cung cấp độ bền cao theo hai hướng, trong khi sợi carbon Plain tăng cường độ cứng. Sợi Kevlar được sử dụng để chống va đập và cải thiện khả năng hấp thụ năng lượng. Ma trận nhựa epoxy giữ các sợi với nhau, tạo nên một vật liệu composite đồng nhất với tính chất cơ học vượt trội so với các vật liệu truyền thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Triển Vọng Phát Triển

Chế tạo kết cấu UAV từ gỗ Balsa và composite đã chứng minh giá trị thực tế cao trong nhiều lĩnh vực. UAV Scan Eagle của Boeing là ví dụ điển hình về ứng dụng thành công các vật liệu nhẹ trong thiết kế máy bay không người lái. Các kết cấu hybrid này được sử dụng trong khảo sát địa hình, giám sát môi trường, và các ứng dụng quân sự. Triển vọng phát triển hứa hẹn với việc tối ưu hóa tiếp tục các công nghệ chế tạo, cải thiện hiệu năng về độ bền, khả năng chịu được điều kiện khắc nghiệt và giảm chi phí sản xuất. Việc áp dụng các kỹ thuật gia công tiên tiến và vật liệu mới sẽ mở ra những khả năng mới cho ngành công nghiệp hàng không.

4.1. Các Ứng Dụng Hiện Tại Của UAV Composite

UAV với kết cấu composite được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lập bản đồ, quân sự, cứu hộ khẩn cấp và giám sát nông nghiệp. Tính nhẹ và bền của kết cấu hybrid cho phép UAV bay lâu hơn, đạt độ cao lớn hơn và chịu tải lớn hơn. Máy bay ScanEagle với kết cấu tối ưu được sử dụng trong các nhiệm vụ giám sát dài hạn, thể hiện khả năng thực tế xuất sắc của công nghệ này.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Tương lai của chế tạo kết cấu UAV hướng tới việc sử dụng vật liệu bền vững, công nghệ in 3D và tối ưu hóa AI. Các nhà nghiên cứu đang khám phá vật liệu composite sinh học, tăng cường tính an toàn va đập và phát triển quy trình sản xuất tự động hóa để giảm chi phí. Những tiến bộ này sẽ mở ra thế hệ UAV hiệu suất cao với chi phí thấp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN CHƯNG.1 Vật liệu trong hàng không - - 1 1/2 Các dạng kế cấu 7 - 12 13 Xác dmïi hướng liếp cận và mục đích nghiên cứn. XÂY DỰNG MÔ HÌNH, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MO PHONG 220 2.1 Quy trình thực hiện mở phống.2 Phương pháp phần tử hữu hạn.3 Xây dựng mê hình 2.1 Phương trnhkếtcáu3D.2 Hằng số kỹ thuật.3 Thông số vải cachon - - - 37 2.4 Thông số lỗi Balsa.5 Lar chọn và thiết kế tấu thử.5 Đánh giá kết quả - - 41 2.1 Kéo, nén đọc trục. Xoắn - 49 CHƯƠNG 3.

CHÉ TẠO, TIỀN HÀNH THỬ NGHIỆM VÀ SO SÁNH 3.2 Chétgo 7 - - 33 ĐANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Nhựa polyester kg Hinh 1.3 Nhựa Vmylester kg Hinh 1.3 Sợi thủy tỉnh woven (A), sợi thủy tỉnh đa hướng sợi ngắn () Hinh 1.4 Soi Cacbon dan dang Twill (A), Plain (B), Tow (C) Hinh 1.5 Soi Kevlar Hình 1.6 Xếp PVC với các a6 day khac nhau.7 Xép nhiét déo Ilinh 1.9 Vật liệu lõi dạng tỏ ong, Hinh 1.10 Gỗ Balsa Hinh 1.11 Mô hình máy bay làm từ gỗ Balsa [inh 1.12 Máy bay bằng vật liệu composite cacbon của viên vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học 12 Hint 1.13 Cac Ine co ban tác động lên máy bay 12 Hinh 1.14 Cac dang cau tric thing thường của máy bay [10] 13 Hinh 1.15 Câu trúc dang thanh giằng 14 Hinh 1.16 Kết cầu đạng manocodne.17 Semi-menoeocque 15 Tlinh 1.18 Cac dang ứng suất chính [1 0] Ilinh 1.19 UAV Scan Eagle- boeing, TTinh 2.1 Quy trinh tiên hành mô phỏng, Hinh 2.2 Mô phỏng đèng khi qua văn bướm dúng FEA Hinh 2.3 Ứng dụng FEA đế mô phỏng kết cấu chỉ tiết càng máy bay Llinh 2.4 R6i rac hoa mé hinh chan vit tau thiy linh 2.5 Các dạng phântử phố biển dùng để rời rạc hóa mô hình. ĐANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Nhựa polyester kg Hinh 1.3 Nhựa Vmylester kg Hinh 1.3 Sợi thủy tỉnh woven (A), sợi thủy tỉnh đa hướng sợi ngắn () Hinh 1.4 Soi Cacbon dan dang Twill (A), Plain (B), Tow (C) Hinh 1.5 Soi Kevlar Hình 1.6 Xếp PVC với các a6 day khac nhau.7 Xép nhiét déo Ilinh 1.9 Vật liệu lõi dạng tỏ ong, Hinh 1.10 Gỗ Balsa Hinh 1.11 Mô hình máy bay làm từ gỗ Balsa [inh 1.12 Máy bay bằng vật liệu composite cacbon của viên vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học 12 Hint 1.13 Cac Ine co ban tác động lên máy bay 12 Hinh 1.14 Cac dang cau tric thing thường của máy bay [10] 13 Hinh 1.15 Câu trúc dang thanh giằng 14 Hinh 1.16 Kết cầu đạng manocodne.17 Semi-menoeocque 15 Tlinh 1.18 Cac dang ứng suất chính [1 0] Ilinh 1.19 UAV Scan Eagle- boeing, TTinh 2.1 Quy trinh tiên hành mô phỏng, Hinh 2.2 Mô phỏng đèng khi qua văn bướm dúng FEA Hinh 2.3 Ứng dụng FEA đế mô phỏng kết cấu chỉ tiết càng máy bay Llinh 2.4 R6i rac hoa mé hinh chan vit tau thiy linh 2.5 Các dạng phântử phố biển dùng để rời rạc hóa mô hình.

Kinh gũi: Viện Cơ khi dộng lực THIẾU ĐĂNG KÝ HƯỚNG DẪN ĐẺ TÀI 1. Ho va tên người hướng dẫn chính: Đỉnh Tân Hưng. Học vị Tiên Sĩ 2. Cơ quan: Viện Cơ khi Động lực.

Họ và tên người hưởng dỗi phụ tiếu có}> Học vị Học hẻm. Email đìnhtanhang(9gmailLcom DB» (184) 37 9997 Dé tail: Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực a) Tên để tải: Xehiên cứu, chế tạo kết cầu tông hợp từ gỗ Balsa và vat composite cho may bay khéng người lái b) Mue tiéu chinh cia dé tai: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của phân bỏ các gân tăng cứng bằng balsa lên lớp vỏ của của kết câu dùng vật liệu composite. c} Nội dụng của để tải, các vẫn đề cần được giải quyết. -_ Tổng quan về lý thuyết vật liệu và kết cảu.

- _ Xác dịnh mục đích nghiên cứu và tính cắp thiết của dễ tài. Lara chọn, xây dựng xuô bình tỉnh toán ống hình try có sự phân bó về số lượnggần lăng cửng bằng balsa khác nhau. ~_ Tiên hành ol ao mô hình để thực nghiệm vả xo ánh kết quả. Chuyên ngành: a) Tên để tài: ch đ) Nội dung của để tải, các vẫn đề cần được giải quyết: Hà Nội ngày tháng nắm 2020 Người hướng dân.

ĐANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Nhựa polyester kg Hinh 1.3 Nhựa Vmylester kg Hinh 1.3 Sợi thủy tỉnh woven (A), sợi thủy tỉnh đa hướng sợi ngắn () Hinh 1.4 Soi Cacbon dan dang Twill (A), Plain (B), Tow (C) Hinh 1.5 Soi Kevlar Hình 1.6 Xếp PVC với các a6 day khac nhau.7 Xép nhiét déo Ilinh 1.9 Vật liệu lõi dạng tỏ ong, Hinh 1.10 Gỗ Balsa Hinh 1.11 Mô hình máy bay làm từ gỗ Balsa [inh 1.12 Máy bay bằng vật liệu composite cacbon của viên vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học 12 Hint 1.13 Cac Ine co ban tác động lên máy bay 12 Hinh 1.14 Cac dang cau tric thing thường của máy bay [10] 13 Hinh 1.15 Câu trúc dang thanh giằng 14 Hinh 1.16 Kết cầu đạng manocodne.17 Semi-menoeocque 15 Tlinh 1.18 Cac dang ứng suất chính [1 0] Ilinh 1.19 UAV Scan Eagle- boeing, TTinh 2.1 Quy trinh tiên hành mô phỏng, Hinh 2.2 Mô phỏng đèng khi qua văn bướm dúng FEA Hinh 2.3 Ứng dụng FEA đế mô phỏng kết cấu chỉ tiết càng máy bay Llinh 2.4 R6i rac hoa mé hinh chan vit tau thiy linh 2.5 Các dạng phântử phố biển dùng để rời rạc hóa mô hình.6 Các phản từ dạng bậc 2 của phần Lử có cầu trúc. - - 23 Himhi 27 Đường đặc tỉnh ứng suất- biến đạng của vậi liệu eacbon/epoxy điển 28 Hình 2.8 Đường đặc tính ứng suât- biến dạng dọc trục Balsa (H2 balsa- gỗ balsa có khỏi lượng riêng cao và LD balsa-gỗ balsa só khối hượng riêng thấp) [16] 29 Hi ni 2.9 Đường đặc tính ứng suất- biến dang ngang Balsa (HD balsa- 26 balsa có khỏi lượng riêng cao vá L) balsa-gỗ balsa có khối lượng riêng thấp) [16] 29 Hình 2.10 Mẫu mô hình tiền hành mô phỏng với 6 gân Balsa (A), 12 gan (B) 31 Hình 2.11 Bản vẽ kĩ thuật toàn bộ mẫu mỏ hình.13 Đán vẽ kĩ thuột các mẫu mô hình với số lượng gân tầng cứng khác 32 33 Tlinh 2.14 Nhap ms hinh da duge thiét ké vao méi trugmg tinh toán.15 Nhap théng sé vat ligu cha ABAQUS.16 Thiết lập bước tỉnh toán.17 ‘lao hướng cho các thanh tăng cứng Balsa.18 Thiết lập tương tác giữa các phần.19 Liên kết chặt giờa lớp vỏ và thanh tầng củng Balsa.20 Tương tác giữa chốt và thành ông trong mê phỏng uốn 3 diểm.21 Điều kiên biển tại vị trí chốt di đông,.22 Giới hạn các chuyển vị theo phương, 2 và 3 tạivị trí hai dầu.23 Đặt diễu kiện biên.24 Lực nén ở một dẫu của mỏ hình.sc55oc cceeseeareeo.25 Chia ludi ving vat lu balsa balsa 40 Hinh 2.36 Hoàn thiện chia lưới - - - - 41 3.1 Phương pháp chế tạo - - 33 3.22 Chếtạo khuôn mẫu. Kiểm tra bề mặt khuôn và tạo lớn chẳng đỉnh - 34 3.4 _ Tiến hành hút chân không.5 Chếtạo lớp lối và hoàn thiện 56 3.3 Thinghiệm - ST 34 Kế quả - - 59 KẾT LUẬN Tài cảm ơn Để hoàn thành được luận vẫn này, tôi xin chân thành cảm ơn thấy giao TS.

Đình Tắn Hưng, các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hang không và Vũ trụ và đặc biệt cam on mot sé ban sinh viên trên Viện Nghiễn cứu Công nghệ Không gian và dưới nước đã giúp đở tôi rất nhiều trong quá trinh thực hiện. Xim cắm on! Tóm tắt nội dung luận văn Các dạng máy bay không người lải dang ngày cảng dược ứng dụng rộng, rãi, đặc biệt là các máy hay hoạt động ở trần bay cao và có thời gian hoạt động lâu. Trong thời gian hiện tại, các UAV sử dụng vật liệu gỗ balsa và composite đã có khả nhiều. Tuy nhiên những nghiên cửu vẻ sự kết hợp của hai vật liệu này cho hàng không thì lại chưa có hoặc rất ít.

Nhận thấy ring gỗ balsa tuy cúng những lại rất. để bị tác động từ môi trường, còn vật liệu cornposite lại có khối lượng khả nang néu như chế tạo với nhiều lớp vái hoặc khá năng chịu uôn và đám báo hình đạng kém hem nêu không có khung định hình Do vậy nghiên cứu này tiếp cận. đến sự kết hợp giữa hơi loại vặt liệu trên nhằm ruục đích lận đụng những ưu điểm trên và dưa ra những cơ sở đữ liệu tham chiếu chơ quá trình thiết kế UAV thông, qua mô phông và thực nghiệm. TIỌC VIÊN Ký và ghỉ rõ họ tên 3.1 Phương pháp chế tạo - - 33 3.22 Chếtạo khuôn mẫu.

Kiểm tra bề mặt khuôn và tạo lớn chẳng đỉnh - 34 3.4 _ Tiến hành hút chân không.5 Chếtạo lớp lối và hoàn thiện 56 3.3 Thinghiệm - ST 34 Kế quả - - 59 KẾT LUẬN Tài cảm ơn Để hoàn thành được luận vẫn này, tôi xin chân thành cảm ơn thấy giao TS. Đình Tắn Hưng, các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hang không và Vũ trụ và đặc biệt cam on mot sé ban sinh viên trên Viện Nghiễn cứu Công nghệ Không gian và dưới nước đã giúp đở tôi rất nhiều trong quá trinh thực hiện. Xim cắm on! Tóm tắt nội dung luận văn Các dạng máy bay không người lải dang ngày cảng dược ứng dụng rộng, rãi, đặc biệt là các máy hay hoạt động ở trần bay cao và có thời gian hoạt động lâu. Trong thời gian hiện tại, các UAV sử dụng vật liệu gỗ balsa và composite đã có khả nhiều.

Tuy nhiên những nghiên cửu vẻ sự kết hợp của hai vật liệu này cho hàng không thì lại chưa có hoặc rất ít. Nhận thấy ring gỗ balsa tuy cúng những lại rất. để bị tác động từ môi trường, còn vật liệu cornposite lại có khối lượng khả nang néu như chế tạo với nhiều lớp vái hoặc khá năng chịu uôn và đám báo hình đạng kém hem nêu không có khung định hình Do vậy nghiên cứu này tiếp cận. đến sự kết hợp giữa hơi loại vặt liệu trên nhằm ruục đích lận đụng những ưu điểm trên và dưa ra những cơ sở đữ liệu tham chiếu chơ quá trình thiết kế UAV thông, qua mô phông và thực nghiệm.

TIỌC VIÊN Ký và ghỉ rõ họ tên ĐANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Nhựa polyester kg Hinh 1.3 Nhựa Vmylester kg Hinh 1.3 Sợi thủy tỉnh woven (A), sợi thủy tỉnh đa hướng sợi ngắn () Hinh 1.4 Soi Cacbon dan dang Twill (A), Plain (B), Tow (C) Hinh 1.5 Soi Kevlar Hình 1.6 Xếp PVC với các a6 day khac nhau.7 Xép nhiét déo Ilinh 1.9 Vật liệu lõi dạng tỏ ong, Hinh 1.10 Gỗ Balsa Hinh 1.11 Mô hình máy bay làm từ gỗ Balsa [inh 1.12 Máy bay bằng vật liệu composite cacbon của viên vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học 12 Hint 1.13 Cac Ine co ban tác động lên máy bay 12 Hinh 1.