Tổng quan luận án

Đề tài "Nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu cánh côn trùng sử dụng mô hình cơ hệ nhiều vật" được nghiên cứu sinh Lê Vũ Đan Thanh thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Anh Tuấn và PGS.TS. Đặng Ngọc Thanh, bảo vệ năm 2023 thuộc chuyên ngành Cơ kỹ thuật (mã số: 9.01).

                      +-------------------------------------------------------------+
                      |                      CÁNH CÔN TRÙNG MỀM                     |
                      |            (Mô phỏng loài bướm Manduca sexta)               |
                      +-------------------------------------------------------------+
                                                     |
                                   +-----------------+-----------------+
                                   |                                   |
                                   v                                   v
             +-----------------------------------------+   +-----------------------------------------+
             |    MÔ HÌNH KẾT CẤU & ĐỘNG LỰC HỌC       |   |       MÔ HÌNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC          |
             |       (Multi-Body Dynamics - MBD)       |   |                 (UVLM)                  |
             +-----------------------------------------+   +-----------------------------------------+
             | * Dầm Euler-Bernoulli (uốn và xoắn)     |   | * Phương pháp xoáy không dừng mở rộng   |
             | * Hệ vật cứng nối lò xo uốn và xoắn     |   | * Mô hình khuếch tán xoáy (viscous core)|
             | * Phát động 3 góc Euler: (3 - 1 - 2)    |   | * Mô hình xoáy mép trước (LEV suction)  |
             | * Thuật toán giải số: Quasi-Newton      |   | * Màng cánh mỏng, dòng không nén        |
             +-----------------------------------------+   +-----------------------------------------+
                                   |                                   |
                                   +-----------------+-----------------+
                                                     |
                                                     v
                      +-------------------------------------------------------------+
                      |                  TƯƠNG TÁC KẾT CẤU - CHẤT LƯU               |
                      |                        (Two-way FSI)                        |
                      +-------------------------------------------------------------+
                      | * MBD truyền tọa độ, vận tốc biến dạng sang UVLM            |
                      | * UVLM tính toán và truyền lực/mô men khí động sang MBD     |
                      | * Khảo sát chế độ bay treo: tần số, góc Euler, độ cứng     |
                      +-------------------------------------------------------------+

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thiết bị bay (TBB) cánh vẫy siêu nhỏ (FWMAV) mô phỏng côn trùng có các ưu điểm về đặc tính khí động ở dải số Reynolds nhỏ và trung bình, độ ồn thấp, tính cơ động cao và khả năng ngụy trang phục vụ mục đích trinh sát, cứu hộ. Chuyển động vẫy của côn trùng có tần số cao và nhiều bậc tự do tại gốc cánh kết hợp với kết cấu cánh mỏng, đàn hồi dẫn đến hiện tượng tương tác kết cấu - chất lưu (FSI) phi tuyến phức tạp.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra bao gồm:

  1. Phương pháp phân tích mode dao động kết hợp lý thuyết phần tử cánh (BET) hoặc xoáy không dừng (UVLM) bị hạn chế bởi giả thiết biến dạng nhỏ, không mô tả được độ biến dạng lớn của cánh mềm.
  2. Phương pháp kết hợp động lực học chất lưu tính toán (CFD) và động lực học kết cấu tính toán (CSD) đòi hỏi thời gian tính toán rất lớn (từ nhiều giờ đến 93 giờ cho một chu kỳ vẫy), không khả thi cho bài toán khảo sát tham số và tối ưu hóa.
  3. Các nghiên cứu tiếp cận theo hướng động lực học hệ nhiều vật (MBD) trước đó mới dừng lại ở mô hình hai chiều đơn giản, chỉ xét riêng rẽ độ cứng uốn hoặc xoắn, hoặc chỉ nghiên cứu chuyển động quay phẳng mà chưa mô tả kết cấu không gian 3D cùng chuyển động vẫy 3 bậc tự do ở gốc cánh.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng tương tác kết cấu – chất lưu (FSI) cho cánh vẫy kiểu côn trùng theo cách tiếp cận động lực học hệ nhiều vật kết hợp với chương trình tính toán khí động lực học dựa trên phương pháp xoáy không dừng mở rộng (UVLM).
  2. Nghiên cứu phân tích các đặc tính đàn hồi khí động đặc trưng của TBB cánh vẫy kiểu côn trùng, xác định mối liên hệ giữa biến dạng và cơ chế chuyển động cánh phức tạp của các TBB dạng này.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của một số tham số động học và độ cứng kết cấu đến các đặc trưng tạo lực và năng lượng của cánh vẫy, từ đó đề xuất các khuyến cáo trong tính toán thiết kế TBB kiểu côn trùng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cánh vẫy đàn hồi kiểu cánh côn trùng thực hiện các chuyển động mô phỏng tự nhiên, chịu tải trọng khí động do tương tác dòng khí bao quanh; cụ thể là cánh của loài bướm Manduca sexta và cánh mô hình FWMAV.
  • Phạm vi nghiên cứu: Hiện tượng đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu côn trùng được mô hình hóa dưới dạng cơ hệ nhiều vật trong chế độ bay treo (hovering), giới hạn ở bài toán cân bằng lực nâng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến thiết bị bay cánh vẫy và hiện tượng tương tác kết cấu - chất lưu:

Các công trình phát triển thiết bị bay cánh vẫy

  • TBB phỏng sinh học: Microbat (Đại học Công nghệ California - Caltech, 2002) phỏng dơi nặng 12,5 g, sải cánh 25 cm; Robo Raven (Đại học Maryland) phỏng đại bàng; Smart Bird (Festo, Đức) phỏng hải âu; KUBeetle (Đại học Konkuk); Hummingbird (AeroVironment) phỏng chim ruồi; Dove (Đại học Công nghệ Tây Bắc, Trung Quốc, 2018); Delfly (Đại học TU Delft, Hà Lan) sải cánh 10 cm; Robobee (Đại học Harvard) sải cánh 3 cm.
  • Vật liệu và chế tạo: Pornsin-sirirak và cộng sự (2001) ứng dụng công nghệ MEMS ăn mòn titan và lắng đọng màng Parylene-C; Moses và cộng sự, Nguyen và cộng sự chế tạo cánh màng Mylar tăng cường khung gân carbon phỏng theo loài bướm Manduca sexta.

Cơ chế khí động học không dừng của cánh côn trùng

  • Xoáy mép trước (LEV): Ellington và cộng sự (1996), Dickinson và Götz (1993) phát hiện xoáy mép trước dạng hình nón bám trên bề mặt cánh giúp duy trì áp suất thấp mà không bị thất tốc ở góc tấn lớn tới 45°. Polhamus (1966, 1971) đề xuất lý thuyết tương tự lực hút mép trước áp dụng cho cánh delta.
  • Cơ chế hấp thụ vết xoáy (Wake capture): Dickinson và cộng sự (1999), Han và cộng sự (2016) chứng minh việc đổi chiều vẫy và va chạm với vết xoáy chu kỳ trước làm tăng đột biến lực khí động.
  • Hiệu ứng khối lượng bổ sung (Added mass): Sane (2003) phân tích lực quán tính do gia tốc khối khí xung quanh cánh khi đổi chiều.
  • Hiệu ứng Kramer: Sane và Dickinson (2002), Sun và Tang (2002) xác nhận lưu tốc sinh ra do chuyển động xoay nhanh quanh trục sải cánh ở cuối nửa chu kỳ vẫy làm tăng lực nâng phụ thuộc vào pha xoay.
  • Hiệu ứng xoay bổ sung (Added-rotation effect): Luo và cộng sự (2020) chỉ ra chuyển động góc lên - xuống ($\theta$) tạo thêm vận tốc góc dọc sải cánh, làm thay đổi góc tấn hiệu dụng và lực nâng.

Các phương pháp mô phỏng đàn hồi khí động (FSI) cánh vẫy

  • Phương pháp tổng hợp mode dao động: Nguyen và Han (2010), Schwab và cộng sự (2013), Roccia và cộng sự (2013) sử dụng dầm Euler-Bernoulli tuyến tính kết hợp BET hoặc UVLM, bị giới hạn ở biến dạng nhỏ.
  • Phương pháp CFD - CSD: Nakata và Liu (2012), Aono và Liu (2012), Shahzad và cộng sự (2016) kết hợp phần tử vỏ phi tuyến với bộ giải phương trình Navier-Stokes trung bình hóa theo Reynolds (RANS) hoặc phương pháp biên nhúng; độ chính xác cao nhưng tiêu tốn thời gian tính toán rất lớn.
  • Phương pháp động lực học hệ nhiều vật (MBD): Vanella và cộng sự (2009), Eldredge và cộng sự (2010), Arora và cộng sự (2018), Qi và cộng sự (2010, 2017) với phương pháp LBFPM, Truong và cộng sự (2020) mô hình hóa kết cấu thành hệ vật nối lò xo.
Nhóm phương pháp Ưu điểm Nhược điểm chính Vị trí đóng góp của luận án
Tổng hợp mode (Modal Superposition) Tính toán nhanh, thuật toán đơn giản Bỏ qua tính phi tuyến hình học, giới hạn ở biến dạng nhỏ Luận án phát triển mô hình nhiều vật mô tả được chuyển vị và biến dạng lớn phi tuyến
Ghép nối CFD - CSD Độ chính xác cao, mô tả đầy đủ trường dòng chảy Chi phí tính toán rất lớn, xử lý lưới động phức tạp Luận án thay thế bằng UVLM mở rộng và MBD giúp giảm đáng kể thời gian tính toán
Cơ hệ nhiều vật (MBD) trước đây Bậc tự do thấp, tốc độ xử lý nhanh Chủ yếu là mô hình 2D, chuyển động quay phẳng đơn giản Luận án xây dựng mô hình cánh không gian 3D, tích hợp biến dạng uốn - xoắn và 3 góc Euler

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Mô hình toán học của luận án dựa trên sự tích hợp tương tác hai chiều (two-way coupling) giữa động lực học kết cấu hệ nhiều vật và khí động học xoáy không dừng:

    +-------------------------------------------------------------------------+
    |                     HỆ TỌA ĐỘ VÀ CÁC PHÉP QUAY EULER                    |
    +-------------------------------------------------------------------------+
    |  Hệ tọa độ mặt phẳng vẫy: (O x0 y0 z0)                                 |
    |                           |                                             |
    |                           v  Quay quanh trục Oz0 góc quét phi_1 (3)     |
    |  Hệ trung gian:           (O x* y* z*)                                  |
    |                           |                                             |
    |                           v  Quay quanh trục Ox* góc lên-xuống theta_1 (1)|
    |  Hệ trung gian:           (O x' y' z')                                  |
    |                           |                                             |
    |                           v  Quay quanh trục Oy' góc xoay alpha_1 (2)   |
    |  Hệ tọa độ gắn với cánh:  (O x1 y1 z1)                                  |
    +-------------------------------------------------------------------------+

  1. Động lực học hệ nhiều vật (MBD):

    • Cánh côn trùng được xem như dầm Euler-Bernoulli chịu uốn và xoắn. Trục đàn hồi dọc theo đường nối gốc cánh và mút cánh.
    • Dầm liên tục được rời rạc hóa thành $N$ vật cứng liên kết nối tiếp bằng các khớp quay gắn lò xo xoắn và lò xo uốn tương đương.
    • Chuyển động ở gốc cánh xác định thông qua 3 góc Euler tuần hoàn theo trình tự phép quay (3 - 1 - 2): góc quét $\phi_1$, góc lên - xuống $\theta_1$, và góc xoay $\alpha_1$.
    • Phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ được thiết lập từ phương trình Lagrange loại II: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}_j}\right) - \frac{\partial T}{\partial q_j} = Q_j^{a} + Q_j^{s}$$ Trong đó: $T$ là tổng động năng của các vật cứng; $q_j$ là tọa độ suy rộng; $Q_j^{a}$ là lực/mô men khí động suy rộng; $Q_j^{s}$ là lực đàn hồi lò xo suy rộng.

  2. Khí động học phương pháp xoáy không dừng mở rộng (UVLM):

    • Bề mặt cánh được chia thành mạng lưới các khung xoáy (vortex rings) kín với cường độ xoáy $\Gamma$.
    • Điều kiện biên không xuyên qua bề mặt cánh tại các điểm kiểm tra: $$(\vec{V}{kin} + \vec{V}{wake} + \vec{V}{LEV} + \vec{V}{ind}) \cdot \vec{n} = 0$$
    • Mô hình giải phóng xoáy mép sau hình thành mặt vết xoáy tự do biến dạng theo thời gian.
    • Bổ sung mô hình khuếch tán xoáy có xét đến độ nhớt của chất lưu thông qua bán kính lõi xoáy $r_c(t) = \sqrt{4 \alpha_v \nu t}$.
    • Bổ sung mô hình xoáy mép trước (LEV) dựa trên lý thuyết tương tự lực hút mép trước của Polhamus: lực xoáy mép trước có phương vuông góc với mặt cánh, độ lớn bằng thành phần lực hút mép trước dự đoán bởi dòng thế.

  3. Thuật toán giải và tích hợp FSI:

    • Hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến bậc hai được giải bằng phương pháp Quasi-Newton.
    • Cơ chế truyền dữ liệu tương tác: Tại mỗi bước thời gian $\Delta t$, bộ giải MBD cung cấp vị trí, hướng và vận tốc của từng phần tử cánh cho UVLM; bộ giải UVLM tính toán phân bố áp suất, lực và mô men khí động quy đổi về các lực suy rộng $Q_j^a$ truyền ngược lại cho bộ giải MBD.
       +----------------------------------------------------------------+
       |                  QUY TRÌNH TÍCH HỢP FSI HAI CHIỀU              |
       +----------------------------------------------------------------+
                                       |
                                       v
                     +------------------------------------+
                     |    Thiết lập điều kiện ban đầu     |
                     |    t = 0, q(0), \dot{q}(0)         |
                     +------------------------------------+
                                       |
                                       v
                +----------------------------------------------+
                |  BỘ GIẢI ĐỘNG LỰC HỌC CƠ HỆ NHIỀU VẬT (MBD)  |
                |  - Tính toán tọa độ suy rộng q_j, \dot{q}_j  |
                |  - Xác định vị trí, vận tốc từng vật cứng    |
                +----------------------------------------------+
                                       |
                   Truyền vị trí, vận tốc các phần tử cánh
                                       |
                                       v
                +----------------------------------------------+
                |     BỘ GIẢI KHÍ ĐỘNG XOÁY KHÔNG DỪNG (UVLM)  |
                |  - Cập nhật lưới cánh và vết xoáy rơi        |
                |  - Thiết lập điều kiện biên không xuyên      |
                |  - Giải hệ phương trình tìm cường độ xoáy    |
                |  - Tính lực khí động và mô hình XMT (LEV)    |
                +----------------------------------------------+
                                       |
                   Truyền lực khí động suy rộng Q_j^a
                                       |
                                       v
                +----------------------------------------------+
                |     GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH PHI TUYẾN MBD       |
                |         (Thuật toán Quasi-Newton)            |
                |  - Kiểm tra điều kiện hội tụ sai số          |
                |  - Cập nhật q_j(t + \Delta t)                |
                +----------------------------------------------+
                                       |
                                       v
                +----------------------------------------------+
                |  Tăng bước thời gian: t = t + \Delta t       |
                |  Tiếp tục chu kỳ tính toán tiếp theo         |
                +----------------------------------------------+

Phương pháp và công cụ nghiên cứu thực tế

  • Mô hình phần tử hữu hạn (FEM): Xây dựng trên ANSYS/APDL từ dữ liệu hình học, hệ gân và màng cánh bướm Manduca sexta để trích xuất các đặc trưng khối lượng $m(y)$, mô men quán tính $I(y)$, độ cứng chống uốn $EI(y)$ và độ cứng chống xoắn $GJ(y)$.
  • Phần mềm đối chứng: Sử dụng MSC/ADAMS để kiểm chứng chương trình MBD tự phát triển; sử dụng số liệu thực nghiệm đo PIV, góc uốn và lực nâng của Combes & Daniel (2003), Lua và cộng sự (2010), Nguyen và cộng sự (2016).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu về thiết bị bay cánh vẫy kiểu côn trùng, cơ chế sinh lực khí động phi tuyến và các phương pháp mô phỏng tương tác kết cấu - chất lưu (FSI).

+--------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                            TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG CÁNH CÔN TRÙNG                         |
+------------------------------------+-------------------------------------------------------------+
| Hiện tượng khí động                | Bản chất vật lý và vai trò đối với cánh vẫy                 |
+------------------------------------+-------------------------------------------------------------+
| Xoáy mép trước (LEV)               | Duy trì bám dòng ở góc tấn lớn tới 45°, tạo lực nâng lớn     |
| Hấp thụ vết xoáy (Wake capture)    | Đảo chiều cánh va chạm vết xoáy cũ, tăng lực đầu chu kỳ     |
| Khối lượng bổ sung (Added mass)    | Gia tốc khối khí phụ thuộc kích thước và gia tốc mút cánh   |
| Hiệu ứng Kramer                    | Xoay cánh quanh trục sải cánh sinh lưu tốc điều chỉnh lực   |
| Hiệu ứng xoay bổ sung              | Chuyển động góc lên-xuống tạo thành phần xoay dọc sải cánh  |
+------------------------------------+-------------------------------------------------------------+

Chương 1 chỉ ra rằng các phương pháp hiện hành như tổng hợp dao động riêng bị hạn chế bởi giả thiết biến dạng nhỏ, còn mô hình ghép CFD-CSD đòi hỏi thời gian tính toán quá lớn. Từ đó, tác giả xác lập sự cần thiết của việc xây dựng mô hình FSI dựa trên động lực học hệ nhiều vật (MBD) kết hợp với UVLM.

Chương 2. Mô hình mô phỏng FSI cho cánh vẫy kiểu côn trùng

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình xây dựng mô hình toán học và tích hợp FSI:

  • Xác lập mô hình kết cấu dầm tương đương: Từ mô hình PTHH cánh bướm Manduca sexta gồm các phần tử dầm (gân) và phần tử màng, các đặc trưng phân bố khối lượng $\bar{m}(\bar{y})$ và độ cứng $\overline{EI}(\bar{y})$, $\overline{GJ}(\bar{y})$ dọc theo sải cánh được xấp xỉ bằng các hàm đa thức: $$\overline{EI}(\bar{y}) = a_0 + a_1 \bar{y} + a_2 \bar{y}^2 + a_3 \bar{y}^3 + a_4 \bar{y}^4$$ $$\overline{GJ}(\bar{y}) = b_0 + b_1 \bar{y} + b_2 \bar{y}^2 + b_3 \bar{y}^3 + b_4 \bar{y}^4$$
  • Chuyển đổi sang hệ vật - lò xo: Rời rạc dầm thành hệ các đoạn vật cứng nối với nhau bởi các lò xo xoắn tương đương. Độ cứng của lò xo thứ $k$ được xác định dựa trên tích phân phân bố độ cứng dầm tương ứng: $$K_k^b = \frac{1}{\int_{y_{k-1}}^{y_k} \frac{1}{EI(y)} dy}; \quad K_k^t = \frac{1}{\int_{y_{k-1}}^{y_k} \frac{1}{GJ(y)} dy}$$
  • Mô hình khí động UVLM cải tiến: Lưới cánh phân bố các khung xoáy kín. Lực khí động tức thời và mô men được tích hợp từ trường áp suất tính theo phương trình Bernoulli không dừng. Xoáy mép trước được bổ sung thông qua mô hình lực hút mép trước của Polhamus và bán kính lõi xoáy hiệu chỉnh độ nhớt.
  • Quy trình giải FSI: Ứng dụng giải thuật Quasi-Newton lặp để giải hệ phương trình vi phân chuyển động tại mỗi bước thời gian đảm bảo cân bằng lực giữa kết cấu và dòng khí.

Chương 3. Kiểm chứng mô hình tính toán

Chương 3 thực hiện kiểm chứng độc lập và toàn diện từng module tính toán:

  • Kiểm chứng module MBD: So sánh kết quả chuyển vị, vận tốc và quỹ đạo của hệ nhiều vật chuyển động tự do tính bằng chương trình tự phát triển với kết quả từ phần mềm thương mại MSC/ADAMS, độ sai lệch giữa hai phương pháp không đáng kể.
  • Kiểm chứng mô hình kết cấu cánh nhiều vật:
    • So sánh tần số dao động riêng và dạng dao động (số MAC) của mô hình dầm nhiều vật với mô hình PTHH trên ANSYS/APDL cho cánh trước bướm Manduca sexta: tần số uốn bậc 1 ($f_1$) và tần số xoắn bậc 1 ($f_2$) có sai số dưới 3%, số MAC đạt trên 0,98.
    • So sánh với dữ liệu thực nghiệm dao động cưỡng bức của Combes & Daniel (2003): góc uốn tại các điểm đo dọc sải cánh có sự tương đồng cao về biên độ và pha.
  • Kiểm chứng mô hình khí động UVLM: So sánh hệ số lực nâng tức thời $C_L$ với kết quả thực nghiệm đo lực cánh vẫy 2D của Lua và cộng sự (2010), mô hình UVLM có tích hợp LEV phản ánh chính xác các đỉnh lực nâng do xoáy mép trước và va chạm vết xoáy.
  • Kiểm chứng mô hình tích hợp FSI: So sánh vị trí mút cánh và góc xoắn đàn hồi tại mút cánh với kết quả đo đạc thực nghiệm trên mô hình cánh FWMAV của Nguyen và cộng sự (2016). Biên độ góc uốn và góc xoắn mô phỏng khớp với thực nghiệm trong phạm vi sai số cho phép.
+--------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                      TỔNG HỢP KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH (CHƯƠNG 3)                              |
+--------------------------+-------------------------------+---------------------------------------+
| Module kiểm chứng        | Đối tượng / Nghiên cứu đối chứng | Kết quả đánh giá                      |
+--------------------------+-------------------------------+---------------------------------------+
| Động lực học MBD         | Phần mềm MSC/ADAMS            | Quỹ đạo và vận tốc trùng khớp hoàn toàn|
| Kết cấu cánh nhiều vật   | Mô hình PTHH (ANSYS/APDL)     | Sai số tần số riêng < 3%, MAC > 0,98  |
| Động lực học kết cấu đàn hồi | Thực nghiệm Combes & Daniel   | Dạng sóng góc uốn trùng khớp biên độ/pha |
| Khí động học UVLM        | Thực nghiệm Lua và cộng sự    | Tái hiện chính xác đỉnh lực nâng LEV   |
| Ghép nối FSI hai chiều   | Thực nghiệm cánh FWMAV        | Sai lệch góc xoắn mút cánh < 5%       |
+--------------------------+-------------------------------+---------------------------------------+

Chương 4. Nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu côn trùng

Chương 4 tập trung mô phỏng và phân tích chuyên sâu đàn hồi khí động cánh bướm Manduca sexta khi bay treo, chia làm 4 nội dung chính:

  1. Đặc tính đàn hồi khí động ở chế độ bay treo danh định:

    • Khi cánh vẫy, biến dạng xoắn thụ động làm thay đổi đáng kể góc tấn thực tế dọc theo sải cánh.
    • Góc xoắn đạt cực đại ở thời điểm đổi chiều vẫy, giúp giảm mô men quán tính đổi chiều và hỗ trợ quá trình lật cánh nhanh chóng.
    • Trường vận tốc cảm ứng và sự hình thành các vòng xoáy mép trước, xoáy mép sau được biểu diễn chi tiết qua các nửa chu kỳ vẫy lên và vẫy xuống.

  2. Ảnh hưởng của các tham số động học đến lực khí động và công suất:

    • Tần số vẫy ($f$): Lực nâng trung bình $\bar{L}$ tăng tỉ lệ thuận với hàm $f^{1,8} - f^{2,0}$; công suất tiêu thụ trung bình $\bar{P}$ tăng theo hàm bậc ba của tần số.
    • Biên độ góc quét ($\phi_m$): Tăng biên độ góc quét làm tăng chiều dài quỹ đạo vẫy và vận tốc trung bình, dẫn đến lực nâng trung bình tăng tuyến tính.
    • Biên độ góc xoay ($\alpha_m$): Lực nâng trung bình đạt giá trị tối ưu khi góc tấn hiệu dụng tại thời điểm giữa chu kỳ duy trì quanh mức $40^\circ - 45^\circ$.
    • Góc lên - xuống ($\theta_0, \theta_m$): Giá trị góc lên - xuống trung bình $\theta_0 \approx 8^\circ - 10^\circ$ mang lại hiệu quả tăng nhẹ lực nâng nhờ hiệu ứng xoay bổ sung (Added-rotation effect), tuy nhiên nếu tăng quá mức sẽ làm giảm bán kính hiệu dụng của sải cánh và tiêu tốn công suất.
+--------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                    ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG HỌC ĐẾN LỰC NÂNG VÀ CÔNG SUẤT                  |
+--------------------------+-----------------------+-----------------------+-----------------------+
| Tham số khảo sát         | Xu hướng Lực nâng (L) | Xu hướng Công suất (P)| Nhận xét cơ chế       |
+--------------------------+-----------------------+-----------------------+-----------------------+
| Tần số vẫy f             | Tăng nhanh (~ f^1,8)  | Tăng nhanh (~ f^3)    | Tăng vận tốc dòng bao |
| Biên độ góc quét phi_m   | Tăng tuyến tính       | Tăng bậc hai          | Mở rộng hành trình vẫy|
| Biên độ góc xoay alpha_m | Đạt đỉnh tại ~45°     | Tăng khi xoay nhanh   | Tối ưu góc tấn khí động|
| Góc lên - xuống theta_0  | Đạt cực đại tại 8°-10°| Tăng liên tục         | Hiệu ứng xoay bổ sung |
+--------------------------+-----------------------+-----------------------+-----------------------+

  1. Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu đến đàn hồi khí động:

    • Luận án khảo sát ảnh hưởng của hệ số độ cứng uốn ($k_1^b$) và xoắn ($k_1^t$) cũng như tỉ lệ tần số dao động riêng thứ nhất so với tần số vẫy ($f_1^* = f_1/f$).
    • Kết quả chỉ ra rằng cánh mềm có khả năng tạo lực nâng lớn hơn cánh cứng nhờ biến dạng uốn và xoắn thụ động làm tăng độ cong khí động học và khuếch đại xoáy mép trước.
    • Vùng tỉ lệ tần số riêng tối ưu được xác định nằm trong khoảng $f_1^* \in [1,5; 2,5]$. Trong dải này, hiện tượng cộng hưởng pha giữa chuyển động uốn - xoắn thụ động và chuyển động vẫy cưỡng bức giúp tối đa hóa lực nâng trung bình $\bar{L}$ đồng thời cực tiểu hóa công suất tiêu thụ trên một đơn vị lực nâng $\bar{P}/\bar{L}$.
    • Dạng phân bố độ cứng giảm dần từ gốc cánh đến mút cánh theo quy luật phi tuyến (thon dần) cho hiệu suất nâng và tiết kiệm năng lượng vượt trội so với phân bố độ cứng đều.

  2. Đề xuất ứng dụng trong thiết kế TBB cánh vẫy:

    • Cung cấp các biểu đồ tham số thiết kế về tỉ lệ độ cứng $EI/GJ$, dải tần số hoạt động, và góc đặt động học ban đầu nhằm định hướng lựa chọn vật liệu và kết cấu gân carbon cho cánh FWMAV.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công phương pháp tiếp cận mới trong mô phỏng tương tác kết cấu - chất lưu (FSI) cho cánh vẫy đàn hồi kiểu côn trùng dựa trên sự kết hợp giữa mô hình động lực học cơ hệ nhiều vật (MBD) và phương pháp xoáy không dừng mở rộng (UVLM).
  2. Mô hình hóa thành công kết cấu cánh 3D phức tạp với các biến dạng uốn và xoắn phi tuyến lớn dưới dạng hệ vật - lò xo tương đương, cho phép tích hợp chuyển động không gian 3 bậc tự do tại gốc cánh theo các góc Euler (3 - 1 - 2).
  3. Làm sáng tỏ cơ chế đàn hồi khí động phi tuyến trong chế độ bay treo của côn trùng, đặc biệt là vai trò của biến dạng xoắn thụ động và sự tương tác giữa chuyển động động học cưỡng bức với tần số dao động riêng của kết cấu cánh.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp một công cụ tính toán số (chương trình mô phỏng FSI) có độ tin cậy cao, giảm đáng kể thời gian và tài nguyên máy tính so với phương pháp CFD - CSD truyền thống, đáp ứng yêu cầu tính toán tối ưu hóa và khảo sát tham số trong thiết kế ban đầu TBB cánh vẫy.
  2. Xác định định lượng vùng tham số độ cứng và tỉ lệ tần số riêng tối ưu ($f_1^* \in [1,5; 2,5]$) cùng các khuyến nghị cụ thể về quy luật phân bố độ cứng gân và màng cánh, phục vụ trực tiếp cho việc chế tạo cánh TBB siêu nhỏ (FWMAV).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  1. Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát ở chế độ bay treo (hovering) với giả thiết mặt phẳng vẫy nằm ngang, chưa xét đến các chế độ bay tiến, bay lượn chuyển tiếp.
  2. Giới hạn ở bài toán cân bằng lực nâng đơn thuần của cánh vẫy; chưa xét đến bài toán cân bằng 6 bậc tự do (trim condition) và động lực học ổn định toàn thân có tính đến tương tác giữa thân và cánh.
  3. Mô hình dầm tương đương bỏ qua biến dạng trượt, biến dạng kéo - nén và dạng dao động yên ngựa bậc cao theo phương dây cung cánh; bỏ qua tính nén và dòng chảy tách rời hoàn toàn ngoài mô hình xoáy mép trước.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Phát triển mô hình FSI mở rộng cho các chế độ bay hành trình, bay tiến với vận tốc thay đổi và mặt phẳng vẫy nghiêng.
  2. Tích hợp mô hình động lực học thân côn trùng/thiết bị bay để khảo sát bài toán ổn định, điều khiển cân bằng lực và mô men trong không gian 3D.
  3. Ứng dụng các kết quả tham số tối ưu vào quy trình chế tạo thực tế cánh FWMAV sử dụng khung sợi carbon và màng polymer, tiến hành thử nghiệm đo lực và biến dạng trong ống khí động để hoàn thiện thiết kế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực Cơ kỹ thuật, Cơ học vật rắn biến dạng, Cơ học chất lưu và Kỹ thuật Hàng không - Vũ trụ:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tham khảo phương pháp luận kết hợp cơ hệ nhiều vật (MBD) với các mô hình khí động học bậc trung bình (UVLM); quy trình rời rạc hóa dầm thành hệ vật - lò xo và kỹ thuật giải hệ phương trình vi phân phi tuyến bằng Quasi-Newton.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sử dụng các dữ liệu phân tích về đặc tính khí động học không dừng (xoáy mép trước, khối lượng bổ sung, hiệu ứng Kramer, hiệu ứng xoay bổ sung) và số liệu kiểm chứng thực nghiệm phục vụ giảng dạy các môn Đàn hồi khí động, Động lực học hệ nhiều vật và Thiết kế thiết bị bay không người lái.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị bay (MAV/FWMAV): Ứng dụng trực tiếp các kết luận về tỉ lệ tần số riêng tối ưu ($f_1^*$), khoảng góc Euler hiệu quả và quy luật phân bố độ cứng dọc sải cánh trong quá trình lựa chọn vật liệu, bố trí gân tăng cứng và thiết kế cơ cấu chấp hành cho cánh vẫy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại chọn cách tiếp cận Động lực học hệ nhiều vật (MBD) thay vì phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM/CSD) truyền thống?

Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp CFD đòi hỏi chia lưới toàn bộ miền không gian chất lưu và kết cấu vỏ mỏng, dẫn đến số bậc tự do rất lớn và thời gian tính toán kéo dài (hàng chục giờ cho một chu kỳ vẫy), khiến việc khảo sát tham số và tối ưu hóa kết cấu trở nên bất khả thi. Cách tiếp cận MBD xấp xỉ dầm tương đương thành hệ các vật cứng nối bằng lò xo uốn và xoắn, giúp giảm đáng kể số bậc tự do nhưng vẫn mô tả chính xác các biến dạng hình học phi tuyến lớn và chuyển động 3 bậc tự do ở gốc cánh với chi phí tính toán thấp.

2. Trình tự quay các góc Euler tại gốc cánh được xác định như thế nào trong mô hình toán học?

Chuyển động gốc cánh được mô tả thông qua 3 góc Euler với trình tự quay (3 - 1 - 2) từ hệ tọa độ gắn với mặt phẳng vẫy $(Ox_0y_0z_0)$ sang hệ tọa độ gắn với cánh $(Ox_1y_1z_1)$:

  1. Quay quanh trục $Oz_0$ góc quét $\phi_1$ (trục 3).
  2. Quay quanh trục $Ox^*$ góc lên - xuống $\theta_1$ (trục 1).
  3. Quay quanh trục $Oy'$ góc xoay $\alpha_1$ (trục 2).

3. Tỉ lệ tần số dao động riêng tối ưu $f_1^*$ được kết luận trong luận án là bao nhiêu và mang lại ý nghĩa gì?

Tỉ lệ tần số dao động riêng thứ nhất của kết cấu cánh so với tần số vẫy $f_1^* = f_1/f$ tối ưu nằm trong khoảng $1,5 \le f_1^* \le 2,5$. Trong dải này, sự kết hợp giữa biến dạng thụ động và chuyển động vẫy cưỡng bức tạo ra độ trễ pha phù hợp, giúp cực đại hóa cường độ xoáy mép trước và lực nâng trung bình, đồng thời giảm thiểu công suất tiêu thụ trên một đơn vị lực nâng.

4. Mô hình khí động UVLM trong luận án đã được cải tiến những gì để áp dụng cho cánh côn trùng?

Phương pháp xoáy không dừng (UVLM) tiêu chuẩn của dòng thế được tác giả bổ sung hai thành phần quan trọng:

  1. Mô hình khuếch tán xoáy: Đưa bán kính lõi xoáy phụ thuộc vào độ nhớt động học $\nu$ và thời gian $t$ nhằm tránh kỳ dị vận tốc cảm ứng khi cánh tương tác mạnh với vết xoáy cũ ở chế độ bay treo.
  2. Mô hình xoáy mép trước (LEV): Ứng dụng lý thuyết tương tự lực hút mép trước của Polhamus để tính toán thành phần lực pháp tuyến bổ sung do xoáy mép trước gây ra, khắc phục hiện tượng mất lực nâng do tách dòng ở góc tấn lớn.

5. Kết cấu cánh của đối tượng nghiên cứu (loài bướm Manduca sexta) có đặc điểm gì nổi bật?

Cánh bướm Manduca sexta là một tấm màng mỏng có khối lượng rất nhẹ (chiếm khoảng 1-2% khối lượng cơ thể), được gia cường bởi hệ thống gân dạng ống côn rỗng có đường kính giảm dần từ gốc cánh đến mút cánh. Độ cứng chống uốn và chống xoắn tập trung chủ yếu ở gân mép trước dọc theo trục đàn hồi của cánh và giảm dần về phía mút cánh.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu cánh côn trùng sử dụng mô hình cơ hệ nhiều vật" của tác giả Lê Vũ Đan Thanh đã xây dựng thành công phương pháp và chương trình tính toán mô phỏng tương tác kết cấu - chất lưu (FSI) hiệu quả cao cho cánh vẫy trong chế độ bay treo. Bằng cách kết hợp mô hình động lực học hệ nhiều vật (MBD) với phương pháp xoáy không dừng mở rộng (UVLM), công trình đã khắc phục được hạn chế về thời gian tính toán của phương pháp CFD-CSD cũng như giả thiết biến dạng nhỏ của phương pháp tổng hợp dao động. Kết quả nghiên cứu làm rõ vai trò của các tham số động học và xác định được vùng tỉ lệ tần số dao động riêng tối ưu ($f_1^* \in [1,5; 2,5]$) cùng quy luật phân bố độ cứng kết cấu, đóng góp cơ sở khoa học và dữ liệu thiết kế quan trọng cho việc phát triển các thiết bị bay cánh vẫy siêu nhỏ phỏng sinh học.