BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trần Ngọc Khánh
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI
CÁNH KHÍ CỤ BAY CÓ BIÊN DẠNG ĐẶC THÙ
Ngành: Cơ học
Mã số: 9440109
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Phú Khánh
2. PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học
Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết
Trước tác động của gió, các kết cấu mảnh như cánh máy bay, cánh ngầm
tàu thủy, cầu treo, tòa tháp, giàn khoan trên biển … bị biến dạng làm thay
đổi tải khí động tác động lên kết cấu dẫn đến kết cấu tiếp tục bị biến dạng.
Sự tác động qua lại này diễn ra liên tục dẫn đến việc hình thành các hiện
tượng khí động đàn hồi mà hậu quả nghiêm trọng nhất có thể xảy ra là sự
phá hủy của kết cấu.
Trên thế giới, đã có nhiều cá nhân, tổ chức nghiên cứu tìm cách giảm thiểu
các ảnh hưởng của khí động đàn hồi hoặc tìm giới hạn của kết cấu tránh bị
phá huỷ khi đạt đến các tốc độ tới hạn. Kết quả nhìn thấy rõ rệt nhất đó là
tìm được nguyên nhân xảy ra vụ sập cầu Tacoma của Mỹ năm 1940, các vụ
tai nạn của máy bay một tầng cánh ở thế chiến thứ II và cải thiện, nâng cấp
kết cấu của cầu Tacoma cũng như các thế hệ máy bay ngày nay. Tuy nhiên,
do tính bảo mật trong công nghiệp và quân sự, các kết quả này ít được phổ
biến rộng rãi và vẫn còn là vấn đề thời sự. Do đó, đề tài: “Nghiên cứu hiện
tượng khí động đàn hồi của cánh khí cụ bay có biên dạng đặc thù” có tính
thời sự, khoa học và thực tiễn cao. Giải quyết tốt được đề tài này sẽ là cơ sở
để nghiên cứu đặc tính khí động đàn hồi có độ tin cậy cao ứng dụng trong
thiết kế, chế tạo cánh máy bay.
II. Mục tiêu
Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu hiện tượng khí động đàn hồi trên cánh
khí cụ bay có biên dạng đặc thù. Trong đó, tính đặc thù xét đến là hình dạng
hình học của cánh, cụ thể là biên dạng và bình diện cánh.
Mục tiêu cụ thể:
- Nghiên cứu, xây dựng mô hình cánh khí cụ bay có biên dạng đặc thù
để nghiên cứu hiện tượng khí động đàn hồi;
- Nghiên cứu, xây dựng các phương pháp nghiên cứu hiện tượng khí
động đàn hồi trên cánh khí cụ bay.
III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Hiện tượng khí động đàn hồi, là lĩnh vực rất rộng
và phức tạp, nghiên cứu sự tương tác qua lại giữa dòng lưu chất và kết cấu
của vật rắn. Việc nghiên cứu, tính toán hiện tượng khí động đàn hồi cánh
khí cụ bay có biên dạng đặc thù giúp kiểm tra, giới hạn hoạt động của cánh,
từ đó cho phép cải thiện và nâng cấp hình dạng, kết cấu của cánh. Bên cạnh
đó, làm nổi bật được các phương pháp có thể sử dụng để nghiên cứu hiện
tượng khí động đàn hồi.
Ý nghĩa thực tiễn: Hiện tượng khí động đàn hồi có ảnh hưởng lớn đối
với thiết kế và hiệu suất làm việc của máy bay do có thể dẫn đến khả năng
phá huỷ các cấu trúc. Cánh máy bay là bộ phận chính tạo lực nâng, nên cánh
cần được thiết kế chi tiết, cụ thể hơn về biên dạng để đảm bảo sự an toàn
2
của cấu trúc trong dải hoạt động của máy bay. Do đó, các nghiên cứu của
luận án có ý nghĩa thực tiễn và đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu thiết
kế và chế tạo cánh máy bay.
IV. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu: Cánh khí cụ bay với biên dạng đặc thù, cụ thể
là đặc thù về biên dạng (đối xứng, không đối xứng) và bình diện cánh (hình
chiếu bằng). Các cánh có biên dạng đặc thù nghiên cứu trong luận án gồm:
cánh hình chữ nhật NACA65A004, cánh hình thang NACA65A004, cánh
hình chữ nhật siêu tới hạn, cánh hình thang siêu tới hạn và cánh Delta.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hiện tượng khí động và khí động đàn
hồi, cụ thể là hiện tượng rung lắc cánh (Flutter), trên cánh khí cụ bay có
biên dạng đặc thù.
V. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực
nghiệm. Các phương pháp nghiên cứu được kiểm chứng tính đúng đắn trước
khi áp dụng vào đối tượng cụ thể là cánh có biên dạng đặc thù.
VI. Điểm mới của luận án
- Xây dựng và chế tạo cánh khí cụ bay có biên dạng đặc thù để nghiên
cứu hiện tượng khí động và khí động đàn hồi gồm: cánh hình chữ nhật
NACA65A004, cánh hình thang NACA65A004, cánh hình chữ nhật siêu
tới hạn, cánh hình thang siêu tới hạn và cánh Delta;
- Nghiên cứu thực nghiệm hiện tượng khí động đàn hồi cánh máy bay
ở tốc độ thấp. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng sử
dụng phần mềm ANSYS;
- Đóng góp xây dựng và phát triển chương trình tính toán chuyên dụng
sử dụng phương pháp IBM để tính toán đặc tính khí động đàn hồi cánh khí
cụ bay.
VII. Cấu trúc của luận án
Luận án được trình bày theo các nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan hiện tượng khí động đàn hồi – Trình bày tổng
quan về hiện tượng khí động đàn hồi bao từ khái niệm cơ bản như phân loại,
hậu quả cho đến các công trình nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu
hiện tượng khí động đàn hồi.
Chương 2: Cánh có biên dạng đặc thù và phương pháp nghiên cứu sử
dụng – Trình bày, nghiên cứu, xác định các cánh có biên dạng đặc thù lựa
chọn nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu – Trình bày kết quả nhận được của luận
án.
Cuối cùng là phần Kết luận và kiến nghị, tổng hợp các kết luận chung
và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI
Khi nghiên cứu về động lực học bay ta thường coi máy bay như chất
điểm (để nghiên cứu các đặc tính bay) và máy bay như một vật thể cứng
tuyệt đối, có thể chuyển động theo các trục và quay quanh các trục (để
nghiên cứu tính ổn định và điều khiển). Thực tế, máy bay không phải là vật
cứng tuyệt đối, trước tác dụng của ngoại lực (khi tốc độ bay tăng, khi có
xung va chạm lúc hạ cánh hoặc khi gặp các dòng nhiễu động trong quá trình
bay …), chuyển vị và biến dạng của các thành phần kết cấu làm thay đổi
đặc tính khí động cũng như hạn chế khả năng chịu tải của kết cấu. Có thể
nói, độ cứng của máy bay là nguyên nhân quyết định đến việc xuất hiện
hoặc loại trừ các hiện tượng khí động đàn hồi.
Khí động đàn hồi có ảnh hưởng lớn đối với thiết kế và hiệu suất làm
việc của máy bay do có thể dẫn đến khả năng phá huỷ các cấu trúc. Vì vậy,
các thiết kế của máy bay cần được thiết kế chi tiết, cụ thể hơn để đảm bảo
sự an toàn của cấu trúc thông qua sự thay đổi phù hợp về độ cứng của vật
liệu và phân bố khối lượng.
Ngoài ra, các hiện tượng khí động đàn hồi còn được quan tâm đặc biệt
trong thiết kế cấu trúc khác như: cầu đường, xe đua, turbine gió, cánh
turbine, máy bay trực thăng …
1.1. Hiện tượng khí động đàn hồi
1.1.1. Tam giác khí động đàn hồi Collar
Hiện tượng khí động đàn hồi thực chất là tác động tương hỗ giữa các
lực: khí động, quán tính và đàn hồi.
Hnh 1.1 Tam giác khí động đàn hồi Collar
Các lĩnh vực nghiên cứu được hình thành từ sự tương tác giữa các đỉnh
của tam giác Collar như trình bày trong Hình 1.1:
❖ Cơ học bay: nghiên cứu tác động giữa lực khí động và lực quán tính;
❖ Dao động cơ học: nghiên cứu tác động giữa lực đàn hồi và lực quán
tính;
LỰC
KHÍ
ĐỘNG
LỰC
ĐÀN
HỒI
LỰC
QUÁN
TÍNH
Khí động đàn
hồi động
Khí động đàn
hồi tĩnh
Dao động cơ
học
Cơ học bay
