Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Cơ kỹ thuật (mã số 9.01) của tác giả 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 (năm 2023), mang tên: "Nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu cánh côn trùng sử dụng mô hình cơ hệ nhiều vật".

Nghiên cứu thiết bị bay (TBB) cánh vẫy nói chung và thiết bị bay cánh vẫy siêu nhỏ (FWMAV) kiểu côn trùng nói riêng xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trong các nhiệm vụ dân sự và quốc phòng như trinh sát không gian kín, giám sát và cứu hộ. Ở dải số Reynolds nhỏ và trung bình, cánh vẫy đạt hiệu suất khí động vượt trội so với cánh cố định hay cánh quay. Cơ chế chuyển động ở gốc cánh côn trùng có nhiều bậc tự do với tần số vẫy cao, kết cấu cánh là màng mỏng siêu nhẹ được gia cường bằng hệ gân nên dễ xuất hiện biến dạng lớn khi chuyển động. Hiện tượng tương tác kết cấu – chất lưu (FSI) diễn ra mạnh mẽ và mang tính phi tuyến cao.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các phương pháp nghiên cứu FSI truyền thống dựa trên nguyên lý chồng chất mode dao động chỉ áp dụng cho biến dạng nhỏ; trong khi các phương pháp kết hợp động lực học chất lưu tính toán (CFD) và động lực học kết cấu tính toán (CSD) đòi hỏi tài nguyên tính toán rất lớn (mất hàng chục giờ chỉ để mô phỏng một chu kỳ vẫy), không khả thi cho việc khảo sát tham số hay tối ưu hóa. Mặt khác, các nghiên cứu tiếp cận theo hướng động lực học hệ nhiều vật (MBD) trước đây mới chỉ dừng ở các mô hình 2D đơn giản hoặc chuyển động quay thuần túy, chưa phản ánh đúng bản chất kết cấu không gian và chuyển động 3D phức tạp của cánh côn trùng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

  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 nghiên cứu: Cánh vẫy đàn hồi kiểu cánh côn trùng thực hiện các chuyển động mô phỏng chuyển động vẫy tự nhiên (chọn cánh loài bướm Manduca sexta làm đối tượng điển hình), chịu các tải trọng khí động sinh ra từ tương tác giữa dòng khí và cánh.
  • 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).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử phát triển TBB cánh vẫy ghi nhận nhiều mẫu thử nghiệm phỏng sinh học:

  • Mẫu cánh vẫy chạy điện Microbat của ĐH Công nghệ California (Pornsin-sirirak và cs., 2002) với khối lượng 12,5 g, sải cánh 25 cm;
  • Robo Raven (ĐH Maryland), SmartBird (công ty Festo), KUBeetle (ĐH Konkuk);
  • TBB thương mại Hummingbird (hãng AeroVironment); TBB Dove (ĐH Công nghệ Tây Bắc, Trung Quốc, 2018); Delfly (ĐH TU Delft, sải cánh 10 cm); Robobee (ĐH Harvard, sải cánh 3 cm).

Về mặt khí động học, cơ chế bay của côn trùng được làm sáng tỏ qua các công trình của Ellington (1984), Ansari (2006, 2009), Dickinson và cộng sự (1999) về cơ chế hấp thụ vết xoáy (wake capture), Sane và Dickinson (2002) về hiệu ứng Kramer, Sun và Tang (2002) về xoáy mép trước (XMT / LEV). Để tính toán tải khí động của XMT, Polhamus (1966) và sau đó là Nguyen và cộng sự (2016) đã ứng dụng lý thuyết tương tự lực hút mép trước kết hợp với mô hình khuếch tán xoáy trong phương pháp UVLM.

Về phương pháp mô phỏng tương tác kết cấu – chất lưu (FSI) cho cánh mềm:

  • Phương pháp tổng hợp dao động: Nguyen và Han (2010), Roccia và cộng sự (2013, 2017), Schwab và cộng sự (2013) sử dụng dầm Euler–Bernoulli ảo kết hợp UVLM hoặc lý thuyết phần tử cánh (BET). Hạn chế là bắt buộc sử dụng giả thiết biến dạng nhỏ, không mô tả được tính phi tuyến hình học khi cánh chịu biến dạng lớn.
  • Phương pháp kết hợp CFD – CSD: Nakata và Liu (2012) dùng phần tử vỏ phi tuyến; Liu và Aono (2009), Zheng và cộng sự (2013), Shahzad và cộng sự (2016) dùng phương pháp biên nhúng và RANS; các tác giả khác áp dụng phương pháp tọa độ đồng xoay (Co-rotational method). Nhược điểm là thời gian giải một chu kỳ vẫy kéo dài từ vài giờ đến 93 giờ, không thể áp dụng cho tối ưu hóa hay khảo sát quét tham số.
  • Phương pháp động lực học hệ nhiều vật (MBD): Vanella (2009), Eldredge (2010), Arora và cộng sự (2018) mô hình hóa cánh 2D bằng hệ các vật cứng nối lò xo; Qi và cộng sự (2019, 2021) phát triển phương pháp Lattice Boltzmann hạt mềm (LBFPM); Truong và cộng sự (2020, 2021) mô hình hóa hệ vật – lò xo nhưng chỉ khảo sát chuyển động quay đơn giản.

Về nghiên cứu tham số động học và độ cứng: Kim và Han (2014) xác định 4 thông số điều khiển hiệu quả nhất trong 12 thông số động học của bướm Manduca sexta; Phillips và Knowles (2011) khảo sát quan hệ giữa góc quét, tần số và lực nâng; Luo và cộng sự (2012) phát hiện "hiệu ứng xoay bổ sung" (Added-rotation Effect) của góc lên – xuống; Wang và cộng sự (2017), Chen và cộng sự (2022), Jankauski và cộng sự (2018, 2020) nghiên cứu tối ưu độ cứng giải tích; Vanella và cộng sự (2009), Kang và Shyy (2013), Xiao và cộng sự (2014), Ha và cộng sự (2013) chỉ ra vai trò của tỉ lệ tần số riêng $f_1^* = f_1/f$ nằm trong khoảng 1,5 đến 4.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết là: Xây dựng một mô hình FSI không gian 3D hoàn chỉnh kết hợp giữa cơ hệ nhiều vật (MBD) rời rạc hóa dầm tương đương và phương pháp khí động mạng xoáy không dừng (UVLM) mở rộng, cho phép mô phỏng chính xác các biến dạng phi tuyến lớn của cánh côn trùng dưới chuyển động vẫy nhiều bậc tự do với chi phí tính toán thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  1. Hệ tọa độ và động học chuyển động:

    • Hệ trục gắn mặt phẳng vẫy $(OX_0Y_0Z_0)$ nằm ngang trong chế độ bay treo.
    • Hệ trục gắn cánh cứng $(OX_1Y_1Z_1)$ với $OY_1$ dọc theo trục đàn hồi từ gốc đến mút cánh.
    • Các hệ trục tọa độ cục bộ $(O_kX_kY_kZ_k)$ gắn với từng vật thể thứ $k$ thông qua ma trận xoay $B_k^R$.
    • Chuyển động ở gốc cánh mô tả theo 3 góc Euler với trình tự quay $(3-1-2)$: góc quét $\phi_1(t)$, góc lên – xuống $\theta_1(t)$, và góc xoay $\alpha_1(t)$.

  2. Mô hình kết cấu:

    • Cánh côn trùng ban đầu được mô hình hóa bằng phần tử hữu hạn (PTHH) trong ANSYS/APDL từ dữ liệu hình thái học hệ gân và màng mỏng.
    • Chuyển đổi mô hình PTHH sang mô hình dầm tương đương Euler–Bernoulli chịu uốn và xoắn dọc theo trục đàn hồi, xác định phân bố khối lượng $\bar{m}(\bar{r})$, mô men quán tính $\bar{I}(\bar{r})$, độ cứng uốn $EI(\bar{r})$ và độ cứng xoắn $GJ(\bar{r})$.
    • Rời rạc hóa dầm thành cơ hệ gồm $N$ vật cứng liên kết nối tiếp bằng các khớp đàn hồi (lò xo uốn và lò xo xoắn). Độ cứng của các lò xo được hiệu chỉnh thông qua bài toán tối ưu hóa với hàm chi phí $J$ và tiêu chí tương đồng dạng dao động (Modal Assurance Criterion - MAC).

  3. Mô hình khí động học UVLM cải tiến:

    • Biểu diễn mặt cánh bằng lưới các khung xoáy kín không dừng.
    • Mô hình khuếch tán bán kính lõi xoáy $r_c(t)$ theo thời gian để khắc phục kỳ dị vận tốc cảm ứng khi cánh tương tác với vết xoáy.
    • Mô hình xoáy mép trước (XMT) dựa trên lý thuyết tương tự lực hút mép trước của Polhamus, tính toán thành phần lực nâng bổ sung vuông góc với mặt cánh sinh ra từ vùng áp suất thấp của xoáy mép trước.

  4. Phương pháp giải bài toán tương tác kết cấu – chất lưu (FSI):

    • Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến của cơ hệ nhiều vật dạng ma trận từ phương trình Lagrange loại 2.
    • Sử dụng thuật toán lặp Quasi-Newton để giải hệ phương trình vi phân chuyển động tại mỗi bước thời gian.
    • Tương tác hai chiều: Tải khí động (lực suy rộng $Q_j^{Fa}$ và mô men suy rộng $Q_j^{Ma}$) từ UVLM được nạp vào bộ giải MBD; biến dạng và vận tốc của các vật thể từ bộ giải MBD cập nhật ngược lại vị trí lưới và điều kiện biên cho bộ giải UVLM.

Các giả thiết nghiên cứu

Nhóm giả thiết Nội dung giả thiết cụ thể
Động lực học Chuyển động gốc cánh tuần hoàn; bỏ qua trọng lực của cánh; bỏ qua dao động và khí động của thân; mặt phẳng vẫy nằm ngang trong chế độ bay treo.
Kết cấu Trục đàn hồi trùng đường nối gốc cánh và mút cánh; bỏ qua độ cong dây cung; bỏ qua biến dạng trượt và kéo nén; uốn và xoắn độc lập; màng cánh không bị nếp gấp; bỏ qua cản trong.
Khí động Cánh mỏng bỏ qua bề dày; không khí không nén được; bỏ qua giao thoa khí động thân; ma sát nhớt ngoài lõi xoáy không đáng kể; xoáy mép trước được duy trì bám trên cánh.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

Luận án sử dụng dữ liệu hình học, khối lượng và cơ tính cánh của loài bướm Manduca sexta từ các công trình kinh điển của Combes và Daniel (2003), Willmott và Ellington (1997), Lua và cộng sự (2010), Moses và cộng sự (2014).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 tổng thuật các dạng TBB cánh vẫy (dạng chim, dạng dơi, dạng cánh đôi, dạng côn trùng) và làm rõ các đặc trưng cơ học của cánh côn trùng: không có cơ bên trong cánh, chuyển động phát động từ gốc cánh qua cơ lồng ngực, tỉ lệ khối lượng cánh chỉ chiếm 1–2% khối lượng cơ thể.

Chương này phân tích sâu 4 hiện tượng khí động học không dừng cốt lõi:

  • Xoáy mép trước (XMT / LEV): Hình thành xoáy nón xoắn ốc bám trên mặt hút, ngăn ngừa thất tốc ở góc tấn lớn tới 45°.
  • Hấp thụ vết xoáy (Wake capture): Cánh đổi chiều và tận dụng năng lượng dòng xoáy sinh ra từ nửa chu kỳ trước.
  • Khối lượng bổ sung (Added mass): Lực quán tính chất lưu sinh ra do gia tốc đổi chiều đột ngột ở cuối mỗi nửa chu kỳ.
  • Hiệu ứng Kramer: Lưu tốc sinh ra do chuyển động xoay nhanh quanh trục dọc kết hợp tịnh tiến làm tăng/giảm lực khí động tức thời tùy thuộc vào độ lệch pha xoay.

Chương 1 so sánh các phương pháp mô phỏng hiện hành (thực nghiệm, bán thực nghiệm, tổng hợp mode dao động, CFD-CSD, MBD) và xác định tính phù hợp của cách tiếp cận cơ hệ nhiều vật trong việc mô phỏng biến dạng lớn phi tuyến với chi phí tính toán thấp.

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

Chương 2 thiết lập hoàn chỉnh cơ sở toán học và thuật toán tích hợp FSI:

  • Xây dựng mô hình kết cấu dầm tương đương và hệ vật – lò xo: Từ dữ liệu giải phẫu bướm Manduca sexta, tác giả thiết lập mô hình PTHH trong ANSYS/APDL với 3.329 phần tử dầm (BEAM188) và 5.568 phần tử vỏ (SHELL181). Từ đó trích xuất các đa thức xấp xỉ phân bố khối lượng $\bar{m}(\bar{r})$, mô men quán tính $\bar{I}(\bar{r})$, độ cứng uốn $EI(\bar{r})$ và độ cứng xoắn $GJ(\bar{r})$ dọc sải cánh: $$\bar{m}(\bar{r}) = a_{0m} + a_{1m}\bar{r} + a_{2m}\bar{r}^2 + a_{3m}\bar{r}^3$$ $$EI(\bar{r}) = a_{0b}\exp(a_{1b}\bar{r}) + a_{2b}\bar{r}^2 + a_{3b}\bar{r} + a_{4b}$$ $$GJ(\bar{r}) = a_{0t}\exp(a_{1t}\bar{r}) + a_{2t}\bar{r}^2 + a_{3t}\bar{r} + a_{4t}$$
  • Rời rạc hóa MBD: Cánh được chia thành $N$ đoạn vật cứng nối với nhau bởi các lò xo uốn và lò xo xoắn. Độ cứng lò xo được tối ưu hóa để đảm bảo tần số dao động riêng và dạng dao động (chỉ số MAC) trùng khớp với mô hình PTHH.
  • Xây dựng mô hình khí động UVLM: Thiết lập mạng lưới phân bố khung xoáy trên mặt cánh và vết xoáy thải tự do; tích hợp bán kính lõi xoáy $r_c = \sqrt{4\nu t^*}$ và mô hình lực hút mép trước $F_s$.
  • Thuật toán giải và sơ đồ ghép nối FSI: Xây dựng quy trình lặp hai chiều sử dụng phương pháp Quasi-Newton giải hệ phương trình chuyển động của hệ nhiều vật có xét đến các lực và mô men khí động suy rộng $Q_j^{Fa}, Q_j^{Ma}$ cùng lực đàn hồi lò xo $Q_j^s$.

Chương 3. Kiểm chứng mô hình tính toán

Chương 3 tiến hành 4 bước kiểm chứng độc lập để xác thực độ chính xác của chương trình tính toán tự phát triển:

  1. Kiểm chứng bộ giải động lực học hệ nhiều vật: So sánh quỹ đạo chuyển động của cơ hệ gồm 4 vật nối lò xo chịu lực kích động tuần hoàn giữa chương trình tự viết và phần mềm thương mại MSC/ADAMS. Kết quả trùng khớp hoàn toàn trên cả ba trục tọa độ.
  2. Kiểm chứng mô hình kết cấu vật – lò xo: So sánh tần số dao động riêng và dạng dao động của cánh trước bướm Manduca sexta giữa mô hình vật – lò xo, mô hình PTHH và thực nghiệm của Combes & Daniel (2003). Tần số dao động uốn bậc 1 ($f_1 \approx 28{,}5\text{ Hz}$) và xoắn bậc 2 ($f_2 \approx 59{,}8\text{ Hz}$) có sai số dưới 1%, số MAC đạt trên 0,98. So sánh biên độ uốn tại các điểm đo dọc sải cánh khi cánh vẫy trong chân không cho thấy sự phù hợp cao với thực nghiệm.
  3. Kiểm chứng mô hình khí động học UVLM: So sánh hệ số lực nâng tức thời $C_L$ với kết quả thực nghiệm trên cánh rô-bốt của Lua và cộng sự (2010). Quy luật biến thiên của lực nâng và các đỉnh lực do XMT được mô tả chính xác.
  4. Kiểm chứng mô hình tương tác FSI hai chiều: So sánh kết quả mô phỏng độ biến dạng góc xoắn và vị trí mút cánh với dữ liệu thực nghiệm đo đạc trên mô hình cánh FWMAV chế tạo từ khung carbon và màng mylar. Sai số về biên độ góc uốn và góc xoắn mút cánh đều dưới 5%.

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

Chương 4 tập trung phân tích cơ chế đàn hồi khí động của bướm Manduca sexta khi bay treo và thực hiện khảo sát tham số:

  • Đặc tính đàn hồi khí động ở chế độ bay treo danh định: Khảo sát cánh với tần số vẫy $f = 26{,}1\text{ Hz}$, biên độ góc quét $\phi_a = 60{,}5^\circ$, biên độ góc lên – xuống $\theta_a = 0^\circ$, góc xoay $\alpha_a = 43^\circ$. Kết quả chỉ ra rằng biến dạng uốn và xoắn thụ động làm thay đổi góc tấn hiệu dụng của cánh dọc theo sải cánh, làm giảm góc tấn ở mút cánh xuống mức tối ưu ($\approx 35^\circ - 40^\circ$), giúp duy trì xoáy mép trước ổn định và giảm công suất cản.
  • Ảnh hưởng của các tham số động học:
    • Biên độ góc xoay $\alpha_a$: Lực nâng trung bình $L_m$ đạt cực đại khi $\alpha_a \approx 40^\circ - 45^\circ$.
    • Tần số vẫy $f$: Lực nâng trung bình tăng theo hàm số xấp xỉ $f^{1,6}$ (thay vì $f^2$ theo lý thuyết cánh cứng) do tương tác phức tạp với vết xoáy.
    • Biên độ góc quét $\phi_a$: Lực nâng tăng tuyến tính theo $\phi_a$, đồng thời công suất tiêu thụ $P_m$ tăng mạnh.
    • Góc lên – xuống trung bình $\theta_0$ và biên độ $\theta_a$: Góc $\theta_0 \approx 8^\circ - 10^\circ$ làm tăng nhẹ lực nâng nhờ hiệu ứng xoay bổ sung (Added-rotation Effect), nhưng nếu vượt quá $10^\circ$ sẽ làm giảm lực nâng do bán kính quay hiệu dụng $R\cos\theta$ bị thu hẹp.
  • Ảnh hưởng của độ cứng kết cấu:
    • Khảo sát biến thiên các hệ số độ cứng uốn ($a_{1b}, a_{2b}$) và độ cứng xoắn ($a_{1t}, a_{2t}$).
    • Xác lập mối quan hệ giữa tỉ lệ tần số riêng $f_1^* = f_1/f$ với hệ số lực nâng $k_L = L_{m,\text{mềm}}/L_{m,\text{cứng}}$ và hiệu suất năng lượng $\eta_p, \eta_z$.
    • Kết quả chỉ ra rằng khi $f_1^* = f_1/f$ nằm trong khoảng $1{,}8 \le f_1^* \le 2{,}4$, cánh mềm tạo ra lực nâng lớn hơn từ 10% đến 18% so với cánh cứng và tiết kiệm từ 8% đến 15% công suất tiêu thụ trên một đơn vị lực nâng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã phát triển thành công quy trình mô hình hóa kết cấu cánh vẫy côn trùng 3D từ mô hình phần tử hữu hạn chi tiết sang dầm tương đương Euler–Bernoulli và cơ hệ nhiều vật (hệ vật – lò xo) được tối ưu hóa theo tiêu chí MAC, bảo toàn đầy đủ các đặc tính quán tính và dao động riêng của cánh thực.
  2. Xây dựng phương pháp và chương trình tính toán mô phỏng FSI hai chiều kết hợp giữa động lực học hệ nhiều vật phi tuyến và phương pháp mạng xoáy không dừng (UVLM) mở rộng (xét đến mô hình khuếch tán lõi xoáy và xoáy mép trước). Phương pháp này mô tả chính xác các biến dạng phi tuyến lớn của cánh với thời gian tính toán giảm hàng chục lần so với phương pháp CFD–CSD truyền thống.
  3. Làm sáng tỏ cơ chế tương tác đàn hồi khí động ở chế độ bay treo: biến dạng uốn và xoắn thụ động của kết cấu mềm tự điều chỉnh phân bố góc tấn dọc sải cánh, tăng cường xoáy mép trước và giảm thiểu công suất khí động tiêu hao.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng thiết kế

  1. Cung cấp bộ công cụ phần mềm tính toán FSI nhanh phục vụ giai đoạn thiết kế ban đầu và tối ưu hóa tham số kết cấu cho các thiết bị bay cánh vẫy siêu nhỏ (FWMAV).
  2. Xác lập các khuyến cáo định lượng trong thiết kế cánh TBB kiểu côn trùng:
Tham số khảo sát Khoảng giá trị khuyến nghị Hiệu quả đạt được
Tỉ lệ tần số riêng $f_1^ = f_1/f$* $1{,}8 \le f_1^* \le 2{,}4$ Tăng lực nâng trung bình 10–18%, tối ưu hiệu suất năng lượng $\eta_p$.
Biên độ góc xoay $\alpha_a$ $40^\circ \le \alpha_a \le 45^\circ$ Tạo góc tấn hiệu dụng tối ưu cho XMT phát triển ổn định.
Góc lên – xuống trung bình $\theta_0$ $5^\circ \le \theta_0 \le 10^\circ$ Tận dụng hiệu ứng xoay bổ sung để tăng lực nâng tức thời.
Phân bố độ cứng uốn/xoắn Giảm dần theo hàm mũ từ gốc về mút cánh Đảm bảo biến dạng uốn tập trung ở 1/3 mút cánh, giữ vững gốc cánh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án mới chỉ khảo sát cánh vẫy trong chế độ bay treo tĩnh (hovering) với mặt phẳng vẫy nằm ngang cố định; chưa xét đến các chế độ bay tiến (forward flight) hoặc các chuyển động cơ động phức tạp.
  • Chưa tính đến tương tác khí động giữa cánh và thân, bỏ qua dao động 6 bậc tự do của thân côn trùng và chưa giải bài toán cân bằng lực và mô men toàn phần (trim condition).
  • Mô hình kết cấu dầm tương đương chỉ xét biến dạng uốn và xoắn 1D dọc trục đàn hồi, bỏ qua biến dạng trượt, kéo nén và biến dạng dạng yên ngựa (độ cong 2D theo phương dây cung) của màng cánh mỏng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình FSI hệ nhiều vật để khảo sát chế độ bay tiến và chuyển động đổi hướng của TBB cánh vẫy.
  • Tích hợp 6 bậc tự do chuyển động của thân TBB vào bộ giải động lực học để nghiên cứu bài toán ổn định, cân bằng bay treo (trimming) và thiết kế luật điều khiển bay tự động.
  • Phát triển mô hình kết cấu hệ nhiều vật 2 chiều (dạng lưới tấm phẳng nối lò xo) để mô tả biến dạng cục bộ của màng cánh và tương tác giữa các tầng cánh đôi (hiệu ứng clap-and-fling).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Cơ kỹ thuật, Cơ học máy, Kỹ thuật Hàng không – Vũ trụ, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot. Phần xây dựng mô hình dầm tương đương, tối ưu hóa độ cứng bằng chỉ số MAC (Chương 2) và thuật toán giải Quasi-Newton ghép nối FSI là tài liệu mẫu mực về phương pháp luận tính toán cơ hệ nhiều vật đàn hồi.
  • Kỹ sư và chuyên gia thiết kế TBB siêu nhỏ (MAV/FWMAV): Thuộc các viện nghiên cứu quốc phòng, công nghiệp hàng không. Dữ liệu khảo sát tham số động học và khoảng tỉ lệ tần số tối ưu $f_1^*$ (Chương 4) cung cấp cơ sở kỹ thuật trực tiếp để lựa chọn động cơ phát động, tần số vẫy và thiết kế phân bố gân carbon gia cường trên màng cánh.
  • Nhà nghiên cứu robot phỏng sinh học: Ứng dụng phương pháp cơ hệ nhiều vật để mô phỏng các cơ cấu mềm (soft robotics), cánh đập phỏng sinh học dưới nước hoặc cánh quạt đàn hồi làm việc ở số Reynolds thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại chọn cách tiếp cận cơ hệ nhiều vật (MBD) thay vì phương pháp CFD–CSD truyền thống?

Phương pháp CFD–CSD kết hợp đòi hỏi lưới động không gian phức tạp và giải hệ phương trình Navier–Stokes trung bình hóa (RANS) trong toàn bộ miền chất lưu, dẫn đến thời gian giải cho một chu kỳ vẫy kéo dài từ vài giờ đến 93 giờ máy tính. Cách tiếp cận MBD rời rạc hóa dầm cánh thành hệ $N$ vật cứng nối lò xo chỉ có số bậc tự do rất nhỏ, khi kết hợp với phương pháp mạng xoáy không dừng UVLM giúp giảm thời gian tính toán xuống hàng chục lần mà vẫn mô tả chính xác các biến dạng phi tuyến lớn của cánh, cho phép thực hiện các bài toán quét tham số và tối ưu hóa kết cấu.

2. Mô hình dầm tương đương của cánh côn trùng được xây dựng từ đâu và có những đặc trưng cơ học gì?

Mô hình dầm tương đương được xây dựng dựa trên mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) giải phẫu từ cánh loài bướm Manduca sexta trong ANSYS/APDL (gồm 3.329 phần tử dầm gân và 5.568 phần tử vỏ màng). Trục đàn hồi của dầm trùng với đường nối gốc cánh và mút cánh. Phân bố khối lượng, mô men quán tính, độ cứng uốn $EI$ và độ cứng xoắn $GJ$ dọc theo sải cánh được xấp xỉ bằng các hàm đa thức và hàm mũ giảm dần từ gốc về phía mút cánh.

3. Những cơ chế khí động học mở rộng nào đã được tích hợp vào phương pháp UVLM trong luận án?

Luận án đã tích hợp hai mô hình bổ trợ quan trọng vào UVLM chuẩn:

  1. Mô hình khuếch tán bán kính lõi xoáy $r_c(t) = \sqrt{4\nu t^}$:* Giúp loại bỏ hiện tượng kỳ dị vận tốc cảm ứng khi cánh tương tác gần với các phần tử xoáy tự do trong chế độ bay treo.
  2. Mô hình xoáy mép trước (XMT / LEV): Dựa trên lý thuyết tương tự lực hút mép trước của Polhamus, tính toán lực nâng bổ sung sinh ra từ vùng áp suất thấp của cấu trúc xoáy mép trước bám trên mặt hút của cánh.

4. Tỉ lệ tần số riêng $f_1^* = f_1/f$ là gì và khoảng giá trị nào mang lại hiệu quả khí động học cao nhất?

Tỉ lệ tần số riêng $f_1^* = f_1/f$ là tỉ số giữa tần số dao động riêng thứ nhất của kết cấu cánh ($f_1$, thường là dạng dao động uốn) và tần số vẫy cánh của chuyển động phát động ($f$). Kết quả mô phỏng trong luận án chỉ ra rằng khoảng tỉ lệ tối ưu là $1{,}8 \le f_1^* \le 2{,}4$. Trong dải này, biến dạng uốn – xoắn thụ động của cánh đạt pha đồng bộ tốt nhất với vận tốc tịnh tiến, giúp lực nâng trung bình tăng 10–18% so với cánh cứng và giảm đáng kể công suất tiêu thụ trên một đơn vị lực nâng.

5. Thứ tự các phép quay Euler mô tả chuyển động vẫy ở gốc cánh được quy ước như thế nào?

Chuyển động của cánh được xác định từ hệ trục tọa độ mặt phẳng vẫy $(OX_0Y_0Z_0)$ sang hệ trục tọa độ gắn với cánh cứng $(OX_1Y_1Z_1)$ thông qua 3 phép quay Euler tuần tự theo quy ước $(3-1-2)$:

  1. Quay quanh trục $OZ_0$ một góc quét $\phi_1$ (Stroke angle).
  2. Quay quanh trục $OX^*$ một góc lên – xuống $\theta_1$ (Elevation / Deviation angle).
  3. Quay quanh trục $OY'$ một góc xoay $\alpha_1$ (Pitch / Rotation angle) dọc theo trục sải cánh.

Kết luận

Luận án 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) cho cánh vẫy kiểu côn trùng dựa trên sự kết hợp giữa mô hình cơ hệ nhiều vật (MBD) và phương pháp xoáy không dừng mở rộng (UVLM). Các kết quả tính toán đã được kiểm chứng độc lập với phần mềm MSC/ADAMS, ANSYS và các số liệu thực nghiệm đo đạc trên cánh bướm Manduca sexta cũng như cánh FWMAV nhân tạo. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của các tham số động học và quy luật phân bố độ cứng kết cấu đến khả năng tạo lực và hiệu suất năng lượng, đồng thời xác lập dải tỉ lệ tần số riêng tối ưu $1{,}8 \le f_1^* \le 2{,}4$ làm cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế các thiết bị bay cánh vẫy siêu nhỏ phỏng sinh học.