Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại, vật liệu composite đã trở thành lựa chọn ưu việt trong thiết kế kết cấu hàng không, đặc biệt là cho các hệ thống UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Với đặc tính nhẹ, bền, khả năng chống ăn mòn và chịu được môi trường khắc nghiệt, composite giúp nâng cao hiệu suất bay và độ bền của UAV. Tuy nhiên, thiết kế kết cấu cánh UAV bằng vật liệu composite đòi hỏi tối ưu hóa phức tạp do tính bất đẳng hướng và đa lớp của vật liệu. Luận văn tập trung nghiên cứu tối ưu kết cấu vỏ cánh UAV làm bằng vật liệu composite, dựa trên mô hình cánh UAV trinh sát VT-Patrol của Viettel, với mục tiêu giảm trọng lượng cánh trong khi vẫn đảm bảo an toàn và hiệu năng hoạt động dưới các tải trọng khí động và trọng lực.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình kết cấu cánh, thu thập dữ liệu tải khí động từ mô phỏng dòng chảy bằng phần mềm ANSYS Fluent, tính toán tần số dao động riêng bằng phân tích MODAL, và áp dụng các công nghệ tối ưu hóa cấu trúc composite trên phần mềm HyperWorks (OptiStruct). Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thiết kế UAV, giảm chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ kết cấu, đồng thời góp phần thúc đẩy ứng dụng vật liệu composite trong ngành hàng không không người lái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về vật liệu composite và phân tích kết cấu tấm composite nhiều lớp. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết tấm composite nhiều lớp: Phân tích cơ tính của từng lớp composite dựa trên các thông số vật liệu như mô đun đàn hồi theo phương dọc và vuông góc sợi, hệ số Poisson, mô đun cắt trong mặt phẳng, và các thông số độ bền kéo, nén, cắt. Mối quan hệ ứng suất-biến dạng được mô hình hóa theo chiều dày tấm, với sự thay đổi tuyến tính của ứng suất trong từng lớp và bậc thang ứng suất giữa các lớp do sự khác biệt về hướng sợi và vật liệu.

  • Mô hình tối ưu hóa cấu trúc composite: Sử dụng các công nghệ tối ưu Free-Sizing, Sizing và Ply-stacking trong phần mềm OptiStruct của HyperWorks để xác định độ dày, vị trí, số lớp và thứ tự xếp chồng các lớp sợi composite. Các ràng buộc thiết kế bao gồm giới hạn độ dày từng lớp, tần số dao động riêng, và các điều kiện sản xuất.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tỷ lệ thể tích sợi trong composite, mô đun đàn hồi theo phương dọc và vuông góc sợi, hệ số Poisson, độ bền kéo dọc trục và ngang, độ bền nén, độ bền cắt, và các chế độ phá hủy của tấm composite đơn hướng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Mô hình kết cấu cánh UAV VT-Patrol được xây dựng dựa trên kích thước thực tế (sải cánh 3,35 m, trọng lượng 26 kg) và profil NACA 4415.

  • Tải khí động được thu thập từ mô phỏng dòng chảy quanh cánh bằng phần mềm ANSYS Fluent với vận tốc 35 m/s, góc tấn 9º, áp suất không khí 0.05405 MPa tại độ cao 5000 m.

  • Tần số dao động riêng của cánh được tính bằng phân tích MODAL trên phần mềm ANSYS, với tần số dao động riêng đầu tiên là 13.3 Hz.

Phương pháp phân tích sử dụng phần tử hữu hạn (FEA) trong HyperWorks, với cỡ mẫu mô hình kết cấu cánh gồm vỏ cánh và hệ thống dầm, xương ngang. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ kết cấu cánh với điều kiện biên ngàm tại gốc cánh, tải trọng trọng lực và áp suất khí động phân bố. Quá trình tối ưu hóa gồm ba giai đoạn: Free-Size (xác định hình dạng và vị trí lớp sợi), Size (xác định độ dày từng bó tấm), và Ply-stacking (xác định thứ tự xếp chồng các lớp). Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, với các bước mô phỏng, phân tích và tối ưu liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm trọng lượng kết cấu cánh: Qua quá trình tối ưu Free-Size và Size, trọng lượng vỏ cánh giảm đáng kể từ giá trị ban đầu khoảng 2.5 kg xuống còn khoảng 2.1 kg, tương đương giảm khoảng 16%. Điều này giúp UAV có khả năng bay xa hơn và tiết kiệm năng lượng.

  2. Phân bố độ dày và hướng sợi tối ưu: Kết quả tối ưu cho thấy các lớp sợi 0º chiếm tỷ lệ lớn nhất trong cấu trúc, chiếm khoảng 50% tổng độ dày, tiếp theo là các lớp ±45º và 90º. Việc phân bố này giúp tăng cường độ cứng dọc trục và khả năng chịu tải xoắn, phù hợp với đặc tính tải trọng khí động.

  3. Thứ tự xếp chồng lớp sợi tối ưu: Qua bước Ply-stacking, thứ tự xếp chồng được xác định nhằm giảm thiểu ứng suất tập trung và tăng khả năng chống tách lớp. Ví dụ, các lớp ±45º được xếp xen kẽ để cân bằng ứng suất cắt, trong khi lớp 0º được đặt ở mặt ngoài để chịu lực kéo chính.

  4. Đáp ứng các ràng buộc tần số dao động riêng: Tần số dao động riêng đầu tiên của cánh sau tối ưu vẫn duy trì trên 13 Hz, đảm bảo tránh hiện tượng cộng hưởng trong điều kiện bay thực tế. Các tần số dao động riêng tiếp theo cũng không bị giảm đáng kể, chứng tỏ kết cấu vẫn giữ được tính ổn định động học.

Thảo luận kết quả

Việc giảm trọng lượng kết cấu cánh mà vẫn đảm bảo các ràng buộc về tải trọng và tần số dao động riêng cho thấy hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa sử dụng phần mềm HyperWorks. So với phương pháp thiết kế truyền thống dựa trên kinh nghiệm và thử nghiệm vật lý, phương pháp này tiết kiệm được thời gian và chi phí đáng kể. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành hàng không về tối ưu hóa vật liệu composite cho UAV, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng cho các loại UAV khác có yêu cầu tương tự.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố độ dày các lớp sợi theo từng hướng, bảng so sánh trọng lượng trước và sau tối ưu, cũng như biểu đồ tần số dao động riêng để minh họa sự ổn định kết cấu. Các kết quả này giúp trực quan hóa hiệu quả tối ưu và hỗ trợ quyết định thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình tối ưu hóa tích hợp: Khuyến nghị sử dụng đồng thời ba công nghệ Free-Size, Size và Ply-stacking trong phần mềm HyperWorks để đạt hiệu quả tối ưu toàn diện về trọng lượng và hiệu năng kết cấu. Thời gian thực hiện mỗi giai đoạn nên được lên kế hoạch cụ thể trong vòng 3-6 tháng.

  2. Mở rộng nghiên cứu cho các loại UAV khác: Đề xuất áp dụng phương pháp tối ưu cho các mô hình UAV có kích thước và tải trọng khác nhau, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao tính khả thi trong thực tế.

  3. Tăng cường kiểm tra thực nghiệm: Đề xuất phối hợp với các phòng thí nghiệm để thực hiện thử nghiệm vật lý trên mẫu cánh composite tối ưu nhằm xác nhận tính chính xác của mô hình và điều chỉnh các tham số thiết kế.

  4. Phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế: Khuyến nghị phát triển các công cụ tự động hóa tích hợp trong quy trình thiết kế UAV composite, giúp giảm thiểu sai sót và tăng tốc độ thiết kế, đồng thời đào tạo kỹ sư thiết kế sử dụng thành thạo phần mềm HyperWorks.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế UAV và hàng không: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tối ưu hóa kết cấu cánh composite giúp giảm trọng lượng và tăng hiệu suất bay, hỗ trợ thiết kế UAV hiệu quả hơn.

  2. Nhà nghiên cứu vật liệu composite: Luận văn trình bày chi tiết về phân tích cơ tính và ứng dụng các công nghệ tối ưu hóa hiện đại, là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu phát triển vật liệu composite.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, hàng không: Nội dung luận văn giúp hiểu sâu về lý thuyết tấm composite, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa kết cấu, phục vụ học tập và nghiên cứu.

  4. Doanh nghiệp sản xuất UAV và vật liệu composite: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ cải tiến quy trình thiết kế và sản xuất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm UAV.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải tối ưu hóa kết cấu cánh UAV bằng vật liệu composite?
    Tối ưu hóa giúp giảm trọng lượng cánh, tăng hiệu suất bay và tuổi thọ kết cấu, đồng thời đảm bảo an toàn dưới các tải trọng khí động và trọng lực. Ví dụ, trọng lượng cánh giảm khoảng 16% so với thiết kế ban đầu.

  2. Phần mềm HyperWorks có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    HyperWorks cung cấp các công cụ phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa cấu trúc composite, giúp tự động hóa quá trình thiết kế, giảm thời gian và chi phí so với phương pháp truyền thống.

  3. Các ràng buộc thiết kế quan trọng trong tối ưu hóa là gì?
    Bao gồm giới hạn độ dày từng lớp sợi, tần số dao động riêng để tránh cộng hưởng, và các điều kiện sản xuất như kích thước lớp và thứ tự xếp chồng.

  4. Làm thế nào để đảm bảo tính chính xác của mô hình mô phỏng?
    Sử dụng dữ liệu tải khí động từ mô phỏng dòng chảy thực tế bằng ANSYS Fluent và tính toán tần số dao động riêng bằng phân tích MODAL, đồng thời áp dụng điều kiện biên phù hợp với thực tế.

  5. Kết quả tối ưu có thể áp dụng cho các loại UAV khác không?
    Có thể, phương pháp tối ưu hóa có tính linh hoạt cao và có thể điều chỉnh cho các mô hình UAV khác nhau với kích thước và tải trọng khác nhau, giúp mở rộng ứng dụng trong ngành.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc tối ưu hóa kết cấu vỏ cánh UAV làm bằng vật liệu composite, giảm trọng lượng cánh khoảng 16% so với thiết kế ban đầu.
  • Áp dụng đồng bộ các công nghệ Free-Size, Size và Ply-stacking trên phần mềm HyperWorks giúp xác định chính xác độ dày, vị trí và thứ tự xếp chồng các lớp sợi composite.
  • Kết cấu cánh sau tối ưu vẫn đảm bảo các ràng buộc về tải trọng khí động và tần số dao động riêng, đảm bảo an toàn và hiệu quả bay.
  • Phương pháp nghiên cứu tiết kiệm thời gian và chi phí so với thiết kế truyền thống, có thể mở rộng ứng dụng cho các loại UAV khác.
  • Đề xuất tiếp tục phối hợp thử nghiệm thực tế và phát triển công cụ hỗ trợ thiết kế để nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

Hành động tiếp theo: Các nhà thiết kế UAV và nhà nghiên cứu vật liệu composite nên áp dụng quy trình tối ưu hóa này trong dự án của mình để nâng cao hiệu quả thiết kế và sản xuất. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.