Chương 1: Tổng quan hiện tượng khí động đàn hồi – Trình bày tổng quan về hiện tượng khí động đàn hồi bao từ khái niệm cơ bản như phân loại, hậu quả cho đến các công trình nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu hiện tượng khí động đàn hồi. Chương 2: Cánh có biên dạng đặc thù và phương pháp nghiên cứu sử dụng – Trình bày, nghiên cứu, xác định các cánh có biên dạng đặc thù lựa chọn nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án. 2 Chương 3: Kết quả nghiên cứu – Trình bày kết quả nhận được của luận án gồm kiểm chứng các phương pháp nghiên cứu sử dụng cho đến xác định đặc tính khí động, khí động đàn hồi của cánh có biên dạng đặc thù. Cuối cùng là phần Kết luận và kiến nghị, tổng hợp các kết luận chung và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.
TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI Khi nghiên cứu về đặc tính bay của máy bay ta thường coi máy bay như chất điểm và máy bay như một vật thể cứng tuyệt đối, có thể chuyển động theo các trục và quay quanh các trục để nghiên cứu tính ổn định và điều khiển. Thực tế, máy bay không phải là vật cứng tuyệt đối, trước tác dụng của ngoại lực (khi tốc độ bay tăng; khi có xung va chạm lúc hạ cánh; khi gặp các dòng nhiễu động trong quá trình bay …), trường chuyển vị và biến dạng kết cấu thay đổi làm thay đổi đặc tính khí động cũng như hạn chế khả năng chịu tải của kết cấu. Có thể nói, độ cứng kết cấu của máy bay là nguyên nhân quyết định đến việc xuất hiện hoặc loại trừ các hiện tượng khí động đàn hồi (KĐĐH). Hiện tượng KĐĐH có ảnh hưởng lớn đối với thiết kế và hiệu suất làm việc của máy bay do có thể dẫn đến khả năng phá huỷ các cấu trúc.
Vì vậy, máy bay cần được thiết kế chi tiết, cụ thể hơn để đảm bảo sự an toàn của cấu trúc thông qua sự thay đổi phù hợp về độ cứng của vật liệu và phân bố khối lượng. Hiện tượng KĐĐH không chỉ được quan tâm trong lĩnh vực hàng không mà còn được quan tâm trong thiết kế cấu trúc khác như: cầu đường, xe đua, turbine gió, cánh turbine … 1.1 Hiện tượng khí động đàn hồi Tam giác khí động đàn hồi Collar LỰC KHÍ ĐỘNG Khí động đàn Cơ học bay hồi tĩnh Khí động đàn hồi động LỰC LỰC ĐÀN QUÁN HỒI TÍNH Dao động cơ học Hình 1.1 Tam giác khí động đàn hồi Collar [1] Bản chất hiện tượng KĐĐH là tác động tương hỗ giữa các lực: khí động, quán tính và đàn hồi. Collar (1946) phân biệt các lĩnh vực nghiên cứu hình thành từ sự tương tác giữa các lực bởi tam giác Collar như trình bày trong Hình 1.1 [1]: ❖ Cơ học bay: nghiên cứu tác động giữa lực khí động và lực quán tính; 4 ❖ Dao động cơ học: nghiên cứu tác động giữa lực đàn hồi và lực quán tính; ❖ Khí động đàn hồi tĩnh: nghiên cứu tác động giữa lực khí động và lực đàn hồi; ❖ Khí động đàn hồi động: nghiên cứu tác động giữa lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính. Trong đó, hai hiện tượng KĐĐH chính gồm các đặc trưng sau [1-11]: - Hiện tượng khí động đàn hồi tĩnh: nghiên cứu 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. Các hiện tượng đặc trưng của khí động đàn hồi tĩnh gồm: o Thay đổi phân bố lực nâng do biến dạng: phân bố lực nâng lên kết cấu làm biến dạng kết cấu. Biến dạng của kết cấu làm thay đổi lại phân bố lực khí động trên kết cấu đó. Sự thay đổi này khác hoàn toàn so với giá trị tính toán trên kết cấu cứng tuyệt đối o Xoắn phá hủy: Do cánh không đủ độ cứng, nên trước tác dụng của lực khí động, cánh bị biến dạng.
Trong đó, biến dạng xoắn làm tăng góc tấn, dẫn đến làm tăng lực khí động trên cánh. Cứ như vậy, đến tốc độ tới hạn thì độ bền, độ cứng của cánh không còn khả năng chống lại hiện tượng xoắn cánh. Vượt quá tốc độ tới hạn này, góc xoắn cánh lớn đến vô cùng đồng nghĩa với việc cánh bị phá hủy; 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), nên khi lệch cánh lái, lực khí động xuất hiện làm biến dạng kết cấu. Sự biến dạng này làm giảm hiệu quả làm việc của cánh lái; o Đảo chiều tác dụng cánh lái: Do một số kết cấu vùng treo của cánh lái không đủ cứng dẫn đến lệch cánh lái, làm cho ở vùng cánh có cánh lái sẽ xuất hiện lực khí động bổ sung.
Do cánh không cứng tuyệt đối nên trước tác dụng của lực bổ sung này cánh sẽ bị xoắn thêm. Khi đó độ gia tăng lực nâng do lệch cánh lái sẽ giảm xuống nhỏ hơn so với trường hợp cánh cứng tuyệt đối. Đến một tốc độ nào đó, ảnh hưởng của cánh lái làm thay đổi lực nâng sẽ bằng 0, tốc độ bay tương ứng với thời điểm đó gọi là tốc độ đảo chiều cánh lái. Với tốc độ bay vượt qua tốc độ tới hạn đó, tác dụng điều khiển của cánh lái sẽ ngược lại.
- Hiện tượng khí động đàn hồi 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 trưng của khí động đàn hồi động gồm: 5 o Hiện tượng Flutter (hiện tượng rung, lắc kết cấu): 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). Trong dao động xuất hiện lực cản dao động và lực kích thích dao động của kết cấu.
Tốc độ bay càng tăng thì lực kích thích duy trì dao động càng lớn, đến một tốc độ nào đó, gọi là tốc độ tới hạn, dao động kết cấu có biên độ không đổi. Nếu tốc độ bay lớn hơn tốc độ tới hạn đó, biên độ dao động tăng, kết cấu bị phá hủy. Có các loại flutter sau: Flutter uốn - xoắn cánh hoặc đuôi (chưa có sự tham gia của cánh lái); Flutter uốn (cánh, đuôi) cùng với sự tham gia của các cánh lái (dạng Flutter này chỉ xảy ra khi các cánh lái không được cân bằng tuyệt đối) … o Hiện tượng Bafting: Là hiện tượng rung lắc một thành phần kết cấu nào đó (thường là đuôi máy bay). Bản chất của hiện tượng này là dao động cưỡng bức kết cấu, do xoáy của dòng khí bị đứt dòng khi chảy qua các thành phần kết cấu ở phần trước tác dụng.
Khi tần số của các xoáy (đóng vai trò tần số của lực kích thích) trùng với tần số dao động riêng của phần kết cấu nào đó của máy bay sẽ sinh ra cộng hưởng và do vậy mà kết cấu bị phá hủy; o Hiện tượng phản ứng động lực: Là hiện tượng khí động đàn hồi xuất hiện do nhiễu của khí quyển (thường tác động xung hay theo chu kỳ) tác dụng lên kết cấu hoặc do xung va chạm khi máy bay tiếp đất hạ cánh. Do tác dụng như vậy mà có thể xuất hiện quá tải quá lớn gây phá hủy kết cấu. Tính đàn hồi của kết cấu cánh máy bay a. Sự phân bố các trục ở cánh máy bay LE x α AC V C CG T c Hình 1.2 Sự phân bố các tâm trên cánh Trên cánh máy bay thường có 3 trục tương ứng với 3 tâm trên cánh gồm (Hình 1.2): ➢ Trục khí động (tâm khí động – AC – Aerodynamic Center): Vị trí của tâm khí động thay đổi theo tốc độ bay [2]: - Với M < 1 thì AC = 0.25c với c là chiều dài dây cung cánh; - Với M ≥ 1 thì AC = 0.
➢ Trục cứng (tâm uốn – EC – Elastic Center); 6 ➢ Trục trọng tâm (trọng tâm – CG – Center of Gravity): trọng tâm phụ thuộc vào kết cấu và vật liệu sử dụng. Vị trí các tâm (trục) tính từ mép vào (LE – Leading Edge – điểm đầu tiên của dây cung cánh). Biến dạng của cánh Cánh máy bay có tính đàn hồi nên dưới tác dụng của tải khí động cánh bị biến dạng (uốn, xoắn) đồng thời sẽ làm thay đổi góc đặt cánh và dòng khí đi qua cánh, qua đó làm thay đổi tải trọng tác động lên cánh. Sự tác động qua lại giữa biến đổi cấu trúc cánh và tải khí động học xác định độ uốn – xoắn cánh trong các điều kiện bay, và được yêu cầu để mô hình các hiện tượng KĐĐH.
Sự biến dạng của cánh không chỉ đơn thuần là uốn hoặc xoắn mà là sự kết hợp với nhiều dạng biến dạng khác nhau. Biến dạng uốn Dưới tác dụng của ngoại lực, cánh máy bay bị uốn lên hoặc xuống (Hình 1. Cánh thẳng khi chịu uốn sẽ không ảnh hưởng tới góc tấn mà chỉ làm thay đổi góc vểnh cụp của cánh dẫn đến làm thay đổi tính ổn định trên cánh.3 Uốn cánh thẳng [2] Hình 1.4 Xoắn cánh thẳng [2] Biến dạng xoắn Dưới tác dụng của ngoại lực, cánh bị xoắn ở góc xoắn nào đó. Khi cánh bị xoắn sẽ làm thay đổi góc tấn và làm thay đổi lực nâng khí động tác dụng lên cánh (Hình 1.
Các vấn đề cần giải quyết Từ những mô tả các quá trình diễn biến các hiện tượng như đã nói ở mục 1.1, ta đưa ra mô hình bài toán để nghiên cứu các hiện tượng KĐĐH xảy ra trên cánh máy bay. Đối tượng của bài toán là cánh thẳng cụ thể về: biên dạng cánh, độ dài dây cung trung bình, độ dài sải cánh, độ cứng chống xoắn, độ cứng chống uốn… Như vậy, các đặc tính cần nghiên cứu trên cánh đối với các hiện tượng KĐĐH gồm: 7 ➢ Thay đổi phân bố lực nâng do xoắn – xoắn phá huỷ cánh: o Vận tốc tới hạn (Divergence speed) của hiện tượng xoắn phá huỷ; o Ảnh hưởng của vị trí tâm xoắn tới vận tốc tới hạn của xoắn phá huỷ; o Ảnh hưởng của tỉ số dạng tới vận tốc tới hạn của xoắn phá huỷ. ➢ Giảm hiệu quả điều khiển cánh lái – đảo chiều tác dụng cánh lái: o Vận tốc đảo chiều tác dụng cánh lái (Reversal speed); o Ảnh hưởng của vị trí tâm xoắn tới vận tốc đảo chiều tác dụng cánh lái; o Ảnh hưởng của độ dài dây cung cánh lái tới vận tốc đảo chiều tác dụng.