Nghiên Cứu Mô Hình Mô Phỏng và Kiểm Nghiệm Bền Của Máy Bay Nhỏ Sử Dụng Vật Liệu Composite

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm bền ủa máy bay nhỏ trong các chế độ bay có sử dụng mô đun, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Phạm Vũ Thịnh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Tuyết Nhung
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Hình và Kiểm Nghiệm Bền Máy Bay Nhỏ Sử Dụng Vật Liệu Composite
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• ABSTRACT OF THESIS
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY UAV VÀ MULTICOPTER
• 1.1. Tổng quan về máy bay không người lái UAV
• 1.1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.2. Ưu nhược điểm của máy bay không người lái
• 1.1.3. Vai trò của máy bay không người lái
• 1.1.3.1. Vai trò quân sự
• 1.1.3.2. Vai trò dân sự
• 1.1.4. Phân loại
• 2. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN, THIẾT KẾ MULTICOPTER
• 2.1. Tính toán chọn thiết bị cho Multicopter
• 2.1.1. Tính toán sơ bộ khối lượng
• 2.1.2. Lựa chọn các thiết bị điện
• 2.1.3. Phân tích mỏi trong kiểm bền UAV
• 2.1.3.1. Tuổi thọ mỏi của UAV
• 2.1.3.2. Phương pháp đánh giá tuổi thọ
• 3. CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU
• 3.1. Xây dựng mô hình hình học của Multicopter
• 3.1.1. Thiết kế khung của Multicopter bằng phần mềm thiết kế Solid Works
• 3.1.2. Thiết lập thông số vật liệu cho mô hình
• 3.2. Kiểm nghiệm độ bền kết cấu Multicopter D130 X8 V2 U10
• 3.2.1. Ta thiết lập thông số vật liệu cho mô hình
• 3.2.2. Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay treo
• 3.2.3. Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay cất cánh
• 3.2.4. Thực hiện mô phỏng trường hợp Multicopter bay hạ cánh
• 3.2.5. Thực hiện mô phỏng trong trường hợp Multicopter bay tiến
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MODULE VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ VÀO KIỂM NGHIỆM BỀN CỦA MULTICOPTER
• 4.1. Phương pháp mô hình hóa vật liệu Composite
• 4.1.1. Mô hình Direct Mori-Tanaka
• 4.1.2. Kết quả và biện luận
• 4.2. Áp dụng mô hình Mori-Tanaka vào kiểm nghiệm bền của Multicopter trong các chế độ bay
• 4.2.1. Ước đoán cơ tính vật liệu composite sử dụng mô hình Mori-Tanaka
• 4.2.2. Kết quả và biện luận
• 4.3. Tổng hợp kết quả và so sánh
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Máy Bay Nhỏ Composite 55 ký tự

Nghiên cứu về máy bay không người lái (UAV) chế tạo từ vật liệu composite đang ngày càng được quan tâm. Ban đầu, UAV phục vụ cho mục đích quân sự, nhưng hiện nay ứng dụng dân sự phát triển mạnh mẽ. UAV có khả năng hoạt động ở những nơi con người khó tiếp cận, thích hợp cho quan sát, khảo sát địa hình, kiểm tra môi trường và làm phim. Việc nghiên cứu UAV ổn định, dễ điều khiển là rất quan trọng. Vật liệu composite với cơ tính tốt, độ bền cao và trọng lượng nhẹ, được sử dụng rộng rãi trong chế tạo khung UAV. Theo tài liệu gốc, việc xác định cơ tính vật liệu composite rất quan trọng để lựa chọn vật liệu tối ưu. Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm tốn kém thời gian và chi phí. Do đó, cần có phương pháp khác để ước tính cơ tính vật liệu hiệu quả hơn.

1.1. Giới thiệu chung về máy bay không người lái UAV

UAV, viết tắt của "Unmanned Aerial Vehicle", là phương tiện bay không người lái. UAV có thể được điều khiển từ xa hoặc tự bay theo lịch trình lập trình sẵn. Ủy ban Quản lý Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA) dùng cụm từ UAS để nhấn mạnh hệ thống này bao gồm máy bay, trạm kiểm soát và các thiết bị khác. UAV thường được trang bị thiết bị thông tin, camera, cảm biến và vũ khí cho mục đích quân sự và dân sự. Giá UAV dao động từ vài nghìn đến hàng chục triệu USD, trọng lượng từ dưới 1kg đến hơn 18 tấn. Trong bối cảnh ứng dụng ngày càng đa dạng, việc hiểu rõ về cấu tạo và khả năng của UAV là điều cần thiết.

1.2. Ưu điểm và nhược điểm của máy bay UAV Composite

UAV có nhiều ưu điểm như tính an toàn cao, yêu cầu trình độ đào tạo vận hành thấp, giảm thiểu thiệt hại khi tai nạn, không yêu cầu đường băng lớn, có thể sử dụng ở nhiều địa hình, thời gian chuẩn bị ngắn, chi phí thấp, tiện lợi và dễ vận chuyển. Tuy nhiên, công nghệ tự động và điều khiển còn hạn chế. Việc sử dụng UAV bị quản lý chặt chẽ ở nhiều nơi. Các ưu điểm này khiến UAV trở thành lựa chọn hấp dẫn trong nhiều lĩnh vực. Cần phải cân nhắc kỹ lưỡng các ưu điểm và nhược điểm khi quyết định sử dụng UAV.

II. Thách Thức Kiểm Nghiệm Độ Bền Vật Liệu Composite 58 ký tự

Một trong những thách thức lớn trong phát triển máy bay composite là kiểm nghiệm độ bền của vật liệu và kết cấu. Vật liệu composite có đặc tính phức tạp, không đồng nhất, dị hướng, gây khó khăn cho việc dự đoán và đánh giá chính xác khả năng chịu tải. Các phương pháp kiểm nghiệm truyền thống thường tốn kém và mất thời gian. Cần có các phương pháp mô phỏng và kiểm nghiệm hiệu quả hơn để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của máy bay nhỏ. Theo luận văn, việc kiểm bền bằng phương pháp mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với thử nghiệm truyền thống. Vấn đề đặt ra là làm sao để xây dựng mô hình mô phỏng chính xác và tin cậy, phản ánh đúng đặc tính của vật liệu composite.

2.1. Phân tích mỏi và tuổi thọ của UAV Composite

Phân tích mỏi là yếu tố quan trọng trong kiểm bền UAV. Tuổi thọ mỏi của UAV phụ thuộc vào vật liệu, tải trọng và điều kiện hoạt động. Việc đánh giá tuổi thọ mỏi đòi hỏi các phương pháp phức tạp để mô tả quá trình tích lũy hư hỏng trong vật liệu composite. Luận văn đề cập đến phương pháp đánh giá tuổi thọ. Cần nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp này để đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của UAV.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của Multicopter Composite

Độ bền của Multicopter chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tải trọng, điều kiện bay, chất lượng vật liệu composite và quy trình chế tạo. Các chế độ bay khác nhau (treo, cất cánh, hạ cánh, tiến) tạo ra các dạng tải trọng khác nhau. Việc phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này là cần thiết để thiết kế Multicopter có độ bền cao.

III. Phương Pháp Mô Phỏng và Kiểm Nghiệm Bền Composite 57 ký tự

Luận văn trình bày phương pháp mô phỏng kiểm nghiệm độ bền kết cấu máy bay composite bằng phần mềm ANSYS. Quy trình bao gồm xây dựng mô hình hình học, thiết lập thông số vật liệu composite và thực hiện mô phỏng trong các chế độ bay khác nhau. Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá ứng suất, biến dạng và hệ số an toàn của kết cấu. Theo luận văn, việc kết hợp sử dụng mô đun vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ để tính toán cơ tính vật liệu composite nhằm cung cấp các thông số về cơ tính vật liệu như một thông số đầu vào cho bài toán kiểm bền từ đó giúp tối ưu hóa lựa chọn vật liệu. Việc so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm giúp đánh giá độ tin cậy của mô hình.

3.1. Xây dựng mô hình hình học của Multicopter Composite

Việc xây dựng mô hình hình học chính xác là bước quan trọng trong mô phỏng. Mô hình cần thể hiện đầy đủ các chi tiết hình học quan trọng của kết cấu Multicopter. Luận văn sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế khung Multicopter. Cần đảm bảo mô hình hình học có độ chính xác cao để kết quả mô phỏng phản ánh đúng thực tế.

3.2. Thiết lập thông số vật liệu Composite trong ANSYS

Việc thiết lập thông số vật liệu composite trong ANSYS đòi hỏi kiến thức về đặc tính cơ học của vật liệu. Cần xác định chính xác các thông số như module đàn hồi, hệ số Poisson, cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén. Luận văn đề cập đến việc thiết lập thông số cho vật liệu composite sợi carbon. Cần lưu ý rằng thông số vật liệu composite có thể thay đổi tùy thuộc vào thành phần, cấu trúc và quy trình chế tạo.

3.3. Mô phỏng các chế độ bay khác nhau của Multicopter

Mô phỏng các chế độ bay khác nhau giúp đánh giá độ bền của Multicopter trong các điều kiện hoạt động thực tế. Luận văn thực hiện mô phỏng trong các trường hợp bay treo, cất cánh, hạ cánh và tiến. Mỗi chế độ bay có đặc điểm tải trọng khác nhau. Việc phân tích kết quả mô phỏng cho phép xác định vị trí tập trung ứng suất và nguy cơ phá hủy.

IV. Ứng Dụng Mô Hình Mori Tanaka Cho Vật Liệu Composite 60 ký tự

Luận văn áp dụng mô hình Mori-Tanaka để dự đoán cơ tính của vật liệu composite. Mô hình này cho phép tính toán cơ tính hiệu quả của vật liệu composite dựa trên cơ tính của các thành phần (nền và sợi) và cấu trúc của vật liệu. Việc sử dụng mô hình Mori-Tanaka giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết. Theo luận văn, mô hình Mori-Tanaka cho phép dự đoán ứng xử của vật liệu composite có tính đến hướng sợi bất kỳ. Việc kết hợp mô hình Mori-Tanaka với mô phỏng ANSYS giúp tối ưu hóa lựa chọn vật liệu composite.

4.1. Phương pháp mô hình hóa vật liệu Composite Mori Tanaka

Mô hình Mori-Tanaka là phương pháp đồng nhất hóa đa cấp độ được sử dụng rộng rãi để dự đoán cơ tính của vật liệu composite. Mô hình này dựa trên lý thuyết đàn hồi và giả định rằng các pha trong vật liệu composite tuân theo quy luật Hooke. Mô hình Mori-Tanaka có thể áp dụng cho vật liệu composite sợi ngắn và sợi dài với hướng sợi bất kỳ.

4.2. Ước đoán cơ tính vật liệu Composite sử dụng Mori Tanaka

Việc ước đoán cơ tính vật liệu composite bằng mô hình Mori-Tanaka đòi hỏi phải xác định chính xác cơ tính của các thành phần (nền và sợi) và cấu trúc của vật liệu. Luận văn đề cập đến việc sử dụng chương trình để dự đoán ứng xử của vật liệu composite. Cần kiểm tra và đánh giá độ chính xác của chương trình này.

V. Kết Quả và Biện Luận Kiểm Nghiệm Máy Bay Nhỏ Composite 59 ký tự

Luận văn trình bày kết quả kiểm nghiệm độ bền máy bay nhỏ composite trong các chế độ bay khác nhau, sử dụng cả mô phỏng ANSYS và mô hình Mori-Tanaka. Kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất và biến dạng trong kết cấu. So sánh kết quả với các vật liệu khác nhau giúp đánh giá hiệu quả của việc sử dụng vật liệu composite. Theo luận văn, sử dụng chương trình tính toán cơ tính vật liệu có thể giúp dự đoán ứng xử của nhiều loại vật liệu, giảm thời gian cũng như chi phí làm thực nghiệm giúp có những lựa chọn sơ bộ nhanh chóng cho tối ưu hóa vật liệu. Cần phân tích kỹ lưỡng kết quả để đưa ra kết luận về độ bền và độ tin cậy của máy bay nhỏ composite.

5.1. So sánh kết quả mô hình với thực nghiệm Vật Liệu Composite

Việc so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm là cần thiết để đánh giá độ tin cậy của mô hình. Luận văn so sánh kết quả với vật liệu composite Glass/Epoxy và Graphite/Epoxy. Sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm có thể do nhiều yếu tố như sai số trong mô hình hình học, thông số vật liệu và điều kiện thí nghiệm.

5.2. Tổng hợp kết quả và so sánh các loại vật liệu Composite

Việc tổng hợp kết quả và so sánh các loại vật liệu composite giúp lựa chọn vật liệu tối ưu cho máy bay nhỏ. Luận văn tổng hợp kết quả kiểm bền Multicopter với các vật liệu khác nhau. Cần xem xét các yếu tố như độ bền, trọng lượng, chi phí và khả năng gia công khi lựa chọn vật liệu composite.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Máy Bay Nhỏ 53 ký tự

Nghiên cứu đã xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm độ bền máy bay nhỏ sử dụng vật liệu composite. Mô hình Mori-Tanaka được áp dụng để dự đoán cơ tính vật liệu. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế và lựa chọn vật liệu composite cho máy bay nhỏ. Luận văn nêu ra một số hạn chế và hướng phát triển. Cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao độ chính xác của mô hình và mở rộng phạm vi ứng dụng.

6.1. Kết quả đạt được và hạn chế của nghiên cứu về Composite

Luận văn đã đạt được một số kết quả quan trọng như xây dựng mô hình mô phỏng, áp dụng mô hình Mori-Tanaka và kiểm nghiệm độ bền máy bay nhỏ. Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế như độ chính xác của mô hình và phạm vi ứng dụng. Cần tiếp tục nghiên cứu để khắc phục những hạn chế này.

6.2. Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo về Vật Liệu

Hướng phát triển của nghiên cứu bao gồm nâng cao độ chính xác của mô hình, mở rộng phạm vi ứng dụng và nghiên cứu các loại vật liệu composite mới. Cần nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp đồng nhất hóa đa cấp độ và các phương pháp kiểm nghiệm không phá hủy. Việc kết hợp các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Máy bay không người lái (UAV) ngày càng trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ quân sự đến dân sự với thị trường toàn cầu đạt khoảng 89 tỷ USD vào năm 2013. Trong đó, Multicopter – loại UAV cánh quay với nhiều cánh quạt – nổi bật nhờ khả năng cất, hạ cánh thẳng đứng và bay cơ động trong không gian hẹp. Tuy nhiên, việc thiết kế và kiểm nghiệm độ bền kết cấu của Multicopter vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt khi sử dụng vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ nhằm tối ưu hóa trọng lượng và độ bền.

Luận văn tập trung xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm bền của máy bay nhỏ Multicopter trong các chế độ bay khác nhau, sử dụng mô-đun vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ. Mục tiêu cụ thể là phân tích cơ tính vật liệu composite bằng mô hình Mori-Tanaka, từ đó cung cấp thông số đầu vào cho mô phỏng kiểm nghiệm bền trên phần mềm ANSYS. Nghiên cứu được thực hiện trên Multicopter D130 X8 V2 U10 với trọng lượng tổng thể khoảng 20,3 kg, trong các chế độ bay treo, cất cánh, hạ cánh và bay tiến.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thiểu thời gian và chi phí thử nghiệm thực tế, đồng thời hỗ trợ lựa chọn vật liệu composite tối ưu cho kết cấu UAV. Kết quả mô phỏng giúp đánh giá tuổi thọ mỏi và khả năng chịu lực của khung máy bay, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và ứng dụng UAV trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính:

1. Mô hình Mori-Tanaka: Đây là mô hình đồng nhất đa cấp độ dùng để dự đoán cơ tính của vật liệu composite có tính đến hướng sợi bất kỳ. Mô hình cho phép ước lượng các thông số cơ học như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và độ bền của composite sợi đơn hướng và sợi ngắn, giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế.

2. Phân tích mỏi theo phương pháp S-N Linear Damage: Phương pháp này sử dụng đường cong ứng suất - chu kỳ (S-N) để đánh giá tuổi thọ mỏi của vật liệu composite dưới các tải trọng thay đổi trong quá trình bay. Đặc biệt, vật liệu composite sợi carbon F584 được áp dụng với tuổi thọ mỏi lên đến 109.000 chu kỳ.

Các khái niệm chính bao gồm: lực nâng và momen xoắn trong chuyển động của Multicopter, hệ tọa độ gắn thân và quán tính, các chế độ bay (bay treo, cất cánh, hạ cánh, bay tiến), và các thông số cơ học của vật liệu composite như Young’s Modulus, hệ số Poisson, độ bền kéo, nén và cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ thiết kế kỹ thuật và thông số thực nghiệm của Multicopter D130 X8 V2 U10, bao gồm khối lượng các bộ phận, lực nâng động cơ, và đặc tính vật liệu composite sợi carbon F584. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình Multicopter cụ thể với trọng lượng tổng khoảng 20,3 kg.

Phương pháp phân tích gồm:

• Thiết kế mô hình hình học trên phần mềm SolidWorks dựa trên thông số kỹ thuật thực tế.
• Mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu bằng phần mềm ANSYS Workbench trong môi trường Static Structure với 92.048 node và 28.089 phần tử, sử dụng loại liên kết cứng.
• Thiết lập thông số vật liệu composite dựa trên mô hình Mori-Tanaka và dữ liệu thực nghiệm.
• Phân tích lực và điều kiện biên trong các chế độ bay khác nhau: bay treo, cất cánh, hạ cánh, bay tiến.
• Đánh giá tuổi thọ mỏi dựa trên đường cong S-N và tỷ lệ ứng suất so với giới hạn chịu đựng của vật liệu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn thiết kế, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lực nâng và phân bố ứng suất trong các chế độ bay:

   • Lực nâng trung bình trên mỗi động cơ là khoảng 51,87 N trong chế độ bay treo, đảm bảo cân bằng với trọng lượng tổng thể 20,3 kg.
   • Ứng suất tối đa trong khung Multicopter ở các chế độ bay dao động từ 19,29 MPa đến dưới 42,9 MPa, thấp hơn giới hạn chịu kéo của vật liệu composite F584, đảm bảo không xảy ra phá hủy mỏi.

2. Tuổi thọ mỏi của vật liệu composite:

   • Theo đồ thị S-N, vật liệu composite F584 có tuổi thọ mỏi lên đến 109.000 chu kỳ ở mức ứng suất tương ứng.
   • Tỷ lệ ứng suất biên độ so với giới hạn chịu đựng (σa/σus) trong các chế độ bay đều nằm dưới giới hạn mỏi Se, chứng tỏ kết cấu có khả năng chịu tải lâu dài.

3. Hiệu quả mô hình Mori-Tanaka trong dự đoán cơ tính vật liệu:

   • Mô hình cho phép dự đoán chính xác các thông số cơ học của composite Glass/Epoxy và Graphite/Epoxy với sai số nhỏ so với kết quả thực nghiệm.
   • Việc sử dụng mô hình này giúp giảm đáng kể thời gian và chi phí thử nghiệm vật liệu.

4. Mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu bằng ANSYS:

   • Mô hình chia lưới chi tiết với hơn 92.000 node cho phép phân tích ứng suất và chuyển vị chính xác trong các chế độ bay.
   • Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố ứng suất đồng đều, không có điểm tập trung ứng suất quá mức, đảm bảo tính ổn định của kết cấu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các kết quả tích cực đến từ việc lựa chọn vật liệu composite sợi carbon F584 có cơ tính cao và độ bền mỏi tốt, kết hợp với mô hình Mori-Tanaka giúp dự đoán chính xác cơ tính vật liệu. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp thử nghiệm truyền thống, mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu bằng phần mềm ANSYS tiết kiệm được khoảng 30-40% thời gian và chi phí.

Việc phân tích lực và momen trong các chế độ bay giúp hiểu rõ hơn về tải trọng thực tế tác động lên khung Multicopter, từ đó tối ưu hóa thiết kế khung và lựa chọn vật liệu phù hợp. Kết quả cũng cho thấy mô hình mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ ứng suất và chuyển vị, giúp trực quan hóa sự phân bố lực và đánh giá độ bền.

Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế UAV nhỏ, đặc biệt trong việc ứng dụng vật liệu composite đồng nhất đa cấp độ, mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực dân sự và quân sự.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường ứng dụng mô hình Mori-Tanaka trong thiết kế vật liệu composite

   • Mục tiêu: Nâng cao độ chính xác dự đoán cơ tính vật liệu composite.
   • Thời gian: 6-12 tháng.
   • Chủ thể: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất UAV.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp đa chế độ bay

   • Mục tiêu: Mô phỏng đồng thời các chế độ bay để đánh giá toàn diện độ bền kết cấu.
   • Thời gian: 12 tháng.
   • Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu kỹ thuật cơ khí động lực.

3. Tối ưu hóa thiết kế khung Multicopter dựa trên kết quả mô phỏng

   • Mục tiêu: Giảm trọng lượng khung mà vẫn đảm bảo độ bền và tuổi thọ mỏi.
   • Thời gian: 6 tháng.
   • Chủ thể: Các nhà thiết kế UAV và kỹ sư vật liệu.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS và Python cho kỹ sư UAV

   • Mục tiêu: Tăng cường kỹ năng mô phỏng và phân tích kết cấu UAV.
   • Thời gian: Liên tục.
   • Chủ thể: Các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế UAV

   • Lợi ích: Áp dụng mô hình mô phỏng và lựa chọn vật liệu composite tối ưu cho thiết kế kết cấu.
   • Use case: Thiết kế Multicopter có trọng lượng nhẹ, độ bền cao.

2. Nhà nghiên cứu vật liệu composite

   • Lợi ích: Hiểu rõ ứng dụng mô hình Mori-Tanaka trong dự đoán cơ tính vật liệu composite đa cấp độ.
   • Use case: Phát triển vật liệu composite mới cho ứng dụng hàng không.

3. Doanh nghiệp sản xuất UAV

   • Lợi ích: Giảm chi phí và thời gian thử nghiệm vật liệu và kết cấu UAV thông qua mô phỏng.
   • Use case: Tối ưu hóa quy trình sản xuất và kiểm nghiệm chất lượng.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí động lực

   • Lợi ích: Nắm vững phương pháp mô phỏng kết cấu và phân tích mỏi trong UAV.
   • Use case: Tham khảo để thực hiện luận văn, nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình Mori-Tanaka là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
   Mô hình Mori-Tanaka là phương pháp đồng nhất đa cấp độ dùng để dự đoán cơ tính vật liệu composite có tính đến hướng sợi bất kỳ. Nó giúp giảm thời gian và chi phí thử nghiệm thực tế bằng cách cung cấp thông số cơ học chính xác cho mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu.

2. Tại sao vật liệu composite sợi carbon được ưu tiên sử dụng cho khung Multicopter?
   Composite sợi carbon có đặc tính nhẹ, độ bền cao và khả năng chịu mỏi tốt, phù hợp với yêu cầu về trọng lượng và độ bền của UAV. Vật liệu này giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất bay của Multicopter.

3. Phần mềm ANSYS được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   ANSYS được dùng để mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu trong môi trường Static Structure, phân tích ứng suất và chuyển vị của khung Multicopter dưới các tải trọng tương ứng với các chế độ bay khác nhau, giúp đánh giá độ bền và tuổi thọ mỏi.

4. Các chế độ bay nào được mô phỏng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu mô phỏng bốn chế độ bay chính: bay treo, cất cánh, hạ cánh và bay tiến. Mỗi chế độ có đặc điểm lực và momen khác nhau ảnh hưởng đến ứng suất trên khung máy bay.

5. Lợi ích của việc sử dụng mô phỏng kiểm nghiệm kết cấu so với thử nghiệm thực tế là gì?
   Mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị trong quá trình thử nghiệm, đồng thời cho phép đánh giá nhanh các phương án thiết kế và lựa chọn vật liệu tối ưu trước khi sản xuất thực tế.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng kiểm nghiệm bền cho Multicopter D130 X8 V2 U10 trong các chế độ bay khác nhau, đảm bảo lực nâng và ứng suất trong giới hạn an toàn.
• Áp dụng hiệu quả mô hình Mori-Tanaka để dự đoán cơ tính vật liệu composite, giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm.
• Đánh giá tuổi thọ mỏi của vật liệu composite sợi carbon F584 cho thấy khả năng chịu tải lâu dài, phù hợp với yêu cầu thiết kế UAV.
• Mô phỏng bằng ANSYS cung cấp dữ liệu chi tiết về phân bố ứng suất và chuyển vị, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế kết cấu.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả thiết kế và đào tạo kỹ thuật mô phỏng cho ngành UAV.

Next steps: Triển khai phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp đa chế độ bay, mở rộng nghiên cứu vật liệu composite mới và ứng dụng trong các loại UAV khác.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư UAV nên áp dụng mô hình mô phỏng và phương pháp đồng nhất đa cấp độ để nâng cao hiệu quả thiết kế và sản xuất UAV trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Máy bay cánh cố định là loại máy bay có bề mặt tạo lực nâng được gắn cố định vào thân và không có sự chuyển động trong suốt quá trình hoạt động. Lực tạo ra để nâng máy bay chủ yếu là lực khí động tạo ra do sự chênh lệch áp suất ở bề mặt trên và dưới của cánh chính khi có dòng khí chảy qua bề mặt cánh. Do đó, máy bay cần nguồn động lực để đẩy máy bay tiến về phía trước (động cơ điện, động cơ piston, tua-bin khí. Máy bay cánh cố định là dạng máy bay được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Hình 1: Mẫu UAV trinh sát VT-Patrol của Viettel Máy bay cánh cố định có cấu trúc đơn giản hơn so với loại cánh quay, do đó quy trình bảo trì và sửa chữa đơn giản hơn. Quan trọng hơn là cấu trúc đơn giản sẽ đảm bảo tính khí động học hiệu quả hơn dẫn đến thời gian chuyển động bay dài hơn ở tốc độ cao, do đó cho phép chúng hoạt động ở khu vực khảo sát lơn hơn trên mỗi chuyến bay nhất định. Nhược điểm của máy bay cánh bằng cố định là sự cần thiết phải bố trí đường bay hay bệ phóng để hỗ trợ cất cánh và hạ cánh. Bên cạnh đó giá thành cao cũng là một nhược điểm của loại máy bay cánh cố định.

4 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter 1.2 Máy bay cánh quay Máy bay cánh quay có tối thiểu 01 cánh quạt (trực thăng), 03 cánh quạt (Tricopter), 04 cánh quạt (Quadrotor), 06 cánh quạt (Hexacopter), 08 cánh quạt (Octocopter) cũng như các thiết kế khác thường hơn như 12 và 16 cánh quạt. Nguyên lý bay của máy bay cánh quay là sự phối hợp của các cánh quạt quay tạo ra lực nâng nâng máy bay lên thẳng hoặc di chuyển theo hướng bất kỳ. Lợi thế lớn nhất của UAV cánh quay là khả năng cất cánh và hạ cánh theo chiều thẳng đứng và rất cơ động trong quá trình bay. Điều này cho phép người dùng hoạt động động ở những địa hình chật hẹp mà không cần bố trí đường băng cất cánh, hạ cánh như loại cánh bằng, cũng như có thể thay đổi độ cao và chuyển hướng bay một cách dễ dàng.

Khả năng bay tại chỗ và khả năng bay cơ động làm cho UAV cánh quay rất phù hợp với công tác bay chụp ở địa hình phức tạp và chật hẹp. Máy bay cánh quay có cấu tạo liên quan đến cơ khí và điện tử phức tạp do đó yêu cầu quá trình bảo trì và sửa chữa phức tạp hơn so với máy bay cánh cố định. Do tốc độ và thời gian bay thấp hơn nên sẽ phải bay nhiều chuyến bay hơn so với bay cánh cố định Công suất của động cơ phần lớn dùng để nâng máy bay, phần còn lại để điều khiển máy bay. Do đó, máy bay luôn phải tiêu tốn một lượng lớn năng lượng cho việc duy trì lực nâng, điều này làm cho máy bay bị hạn chế về khối lượng tải trọng mang theo.

5 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Hình 2: Máy bay 8 cánh quạt D130 X8 V2 U10 [5] 1.2 Tổng quan về UAV (Multicopter) UAV (Multicopter) là loại máy bay không người lái cánh quay được nâng lên và đẩy bởi bốn cánh tay gồm 4 hoặc 8 cánh quạt. Thiết bị bay này là sự kết hợp của UAV và mô hình máy bay lên thẳng.1 Lịch sử phát triển của Multicopter Mô hình máy bay dạng Multicopter được thiết kế, chế tạo đầu tiên vào năm 1907. Đó là chiếc Breguet-Richet (Hình 3). Mặc dù trong chuyến bay thử nghiệm, nó chỉ bay được tầm 1 – 2m.

6 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Hình 3: Breguet-Richet. [4] Oehmichen số 2 (1920) trong Hình 4: do kỹ sư Étienne Edmond Oehmichen thiết kế, đã thử nghiệm bay rất nhiều lần, đến năm 1924, nó đã bay được độ cao 360m. Hình 4: Chiếc Oemichen số 2 (1960) [6] Mô hình Multicopter Convertawing (1956) (Hình 5) đây là mô hình trực thăng 4 cánh quạt đầu tiên (không sử dụng cánh quạt đuôi). Tuy nhiên do kinh tế khó khăn, nên mô hình Multicopter này bị dừng lại, không được phát triển nghiên cứu thêm.

7 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Hình 5: Multicopter Convertawing (1956) [6] Curtiss-Wright VZ-7 (Hình 5): Được thiết kế bởi công ty quân đội Mỹ. VZ-7 được điều khiển bởi 4 cánh quạt. Tuy nhiên nó cũng bị ngừng phát triển do không đáp ứng được các nhu cầu quân sự. Điểm chung của Multicopter thời kỳ đầu là những mẫu máy bay trực thăng có người lái.

Ở thời điểm ban đầu này Multicopter được xem như là giải pháp cho một số vấn đề bay thẳng đứng. Các vấn đề kiểm soát lực xoắn có thể được loại bỏ bằng cách xoay vòng và làm làm ngắn các cánh quạt. Tuy nhiên chúng đều thất bại do độ ổn định kém và quyền kiểm soát bị hạn chế. Vì thế mà tính khả thi trong các mẫu đầu tiên bị đánh giá rất thấp đòi hỏi ở mẫu thứ hai phải có nhiều thí điểm hơn nữa.

Vào cuối những năm 2000, những tiến bộ về thiết bị điện tử cho phép sản xuất các bộ điều khiển từ xa giá rẻ, hệ thống định vị toàn cầu và máy ảnh. Điều này dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng của các Multicopter tiêu dùng nhỏ, rẻ tiền cùng với các thiết kế nhiều rotor khác. Cùng với đó là sự phát triển rất nhanh của các mô hình máy bay điều khiển từ xa. Sự cần thiết, có một máy bay có khả năng cơ động cao cũng như khả năng ổn định, nên Multicopter điều khiển từ xa được đẩy mạnh nghiên cứu phát triển.

Với thiết kế nhỏ gọn, khả năng bền bỉ, các thiết bị Multicopter điều khiển từ xa được thương mại hóa và ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Ngày nay khi nhắc đến Multicopter người ta đều nghĩ ngay đến một thiết bị bay không người lái với bốn chong chóng mang.2 Cấu tạo của Multicopter 1.1Khung máy bay Khung của máy bay được làm bằng hợp kim nhôm, kẽm, hoặc composite sợi cacbon. Kích thước và hình dạng của khung phụ thuộc vào kích thước cũng như cách phân bố cánh quạt. Multicopter có các loại phân bố cánh quạt theo hình dấu cộng (+) và hình dấu nhân (×).

8 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Hình 6: Hai cách bố trí cánh quạt trên khung Multicopter 1.2 Cánh quạt Cánh quạt khi quay tạo ra lực nâng là nhờ vào hình dáng khí động tương tự như hình dáng của cánh máy bay. Hình 7 thể hiện chuyển động của dòng khí khi đi qua cánh máy bay. Khi di chuyển hình dáng khí động của cánh máy bay sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể (cánh máy bay) khi dòng khí chuyển động chảy bao vật thể. Để có lực nâng khí động lực học thì thiết diện vật thể (cánh) phải không đối xứng qua trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dưới, những vật thể có hình dạng thiết diện như vậy được gọi là có hình dạng khí động lực học.

Khi không khí chảy bao quanh hình khí động sẽ có lực nâng khí động lực và đồng thời xuất hiện lực cản. Hình khí động lực nào cho hiệu ứng lực nâng càng cao mà lực cản càng ít thì được coi là có hiệu suất khí động học càng tốt. 9 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Hình 7: Chuyển động của dòng khí qua cánh máy bay Cánh quạt được phân loại dựa trên đường kính và pitch cánh của chúng và được thể hiện dưới dạng sản phẩm có đường kính và pitch cánh. Đường kính của cánh quạt cho thấy vòng tròn ảo mà các cánh quạt tạo ra trong khi pitch cánh thể hiện độ kéo của cánh tức là quãng đường của cánh đi được nếu như xoay đủ một vòng.

Để chống lại mô-men xoắn, Multicopter yêu cầu hai cánh quạt xoay cùng chiều và hai cánh quạt quay ngược chiều kim đồng hồ. Hình 8: Cánh quạt làm bằng sợi Carbon 10 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Tất cả các cánh quạt được sử dụng trong một Multicopter có cùng một đường kính và độ chúc ngóc. Nhiều động cơ có đặc điểm kỹ thuật cánh quạt để có mức tiêu thụ năng lượng tối ưu. Nếu đặc điểm kỹ thuật cánh quạt không được đề cập trên động cơ khi đó chúng ta phải sử dụng thử nghiệm và phương pháp sai số.3 Động cơ Động cơ được sử dụng chủ yếu trong Multicopter là động cơ một chiều không chổi than Brushless (Hình 9).

Những động cơ này bao gồm một nam châm vĩnh cửu quay quanh một lõi sắt cố định. Kích thước cũng như khối lượng nhỏ hơn so với loại dùng chổi than có cùng công suất. Hình 9: Động cơ một chiều không chổi than [5] Lực đẩy của động cơ là thông số dựa trên tổng lực đẩy mà motor có thể tạo ra khi lắp cánh quạt và hoạt động ở mức hiệu điện thế bình thường. Đơn vị của lực đẩy là kg.

Lực đẩy của motor sẽ được xác định bằng tổng lực nâng của cặp motor-cánh quạt đó.Các động cơ trên Multicopter nên được lựa chọn theo mối quan hệ giữa lực đẩy và trọng lượng như sau: Tỷ số = Tổng lực đẩy / trọng lượng = ma/mg = a/g. Như vậy, cất cánh thẳng đứng và hạ cánh thẳng đứng chỉ có thể khi, (a/g)> 1 hoặc nói cách khác, tỷ số tổng lực đẩy trên tổng trọng lượng phải lớn hơn 1 để Multicopter có thể tăng tốc theo hướng đi lên. 11 Chương 1: Tổng quan về máy bay UAV và Multicopter Dòng điện tiêu thụ bao gồm dòng bình thường và dòng burst. Dòng bình thường là dòng điện motor tiêu thụ trong khi đang hoạt động ở chế độ bình thường.

Còn dòng burst là dòng điện tối đa motor có thể chịu được trong khoảng thời gian nhất định. Số vòng quay của motor được kí hiệu là RPM, thông số này cho biết số vòng quay của motor trong 1 phút, khi được cấp 1 volt điện thế. Khối lượng và kích thước của động cơ là hai thông số tương đối quan trọng trong quá trình lựa chọn động cơ nhằm đảm bảo khối lượng là nhỏ nhất trong khi vẫn đảm bảo đủ lực nâng. Kích thước cũng như khối lượng của động cơ một chiều không chổi than nhỏ hơn so với loại dùng chổi than có cùng công suất.

Hiệu suất và độ bền cao cao hơn. Tuy nhiên khó gia công và chế tạo nên giá thành cao.4 Bộ điều tốc điện tử ESC Hình 10: Bộ điều tốc ESC [5] Mỗi loại ESC có mức hiệu điện thế sử dụng khác nhau, từ đó xác định loại pin cần dùng.