Luận án Nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu cánh côn trùng sử dụng mô hình cơ hệ nhiều vật

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH VẪY KIỂU CÁNH CÔN TRÙNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH CƠ HỆ NHIỀU VẬT

Ngành:

Cơ kỹ thuật (Mã số: 9 52 01 01)

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu côn trùng sử dụng mô hình cơ hệ nhiều vật, một vấn đề có tính thời sự, khoa học và thực tiễn cao. Thiết bị bay (TBB) cánh vẫy phỏng côn trùng siêu nhỏ đang được quan tâm nghiên cứu với nhiều ứng dụng dân sự và quốc phòng nhờ các đặc tính vượt trội như kích thước nhỏ, khả năng bay treo tốt, tính cơ động cao, tiếng ồn thấp và hình dạng ngụy trang lý tưởng. Tuy nhiên, cơ chế vẫy cánh nhiều bậc tự do, tần số vẫy cao cùng với biến dạng lớn của cánh làm từ vật liệu nhẹ, đàn hồi khiến các đặc điểm khí động và động lực học trở nên phức tạp, chưa được nghiên cứu đầy đủ.

Mục tiêu của luận án là xây dựng mô hình mô phỏng tương tác kết cấu – chất lưu (FSI) cho cánh vẫy kiểu côn trùng bằng mô hình cơ hệ nhiều vật, nghiên cứu các đặc tính đàn hồi khí động của cánh, từ đó đề xuất các khuyến cáo trong tính toán, thiết kế TBB phỏng côn trùng. Đối tượng nghiên cứu là cánh vẫy đàn hồi kiểu côn trùng thực hiện chuyển động vẫy tự nhiên dưới tải trọng khí động, áp dụng cho cánh bướm Manduca Sexta ở chế độ bay treo.

Luận án đã xây dựng mô hình tính toán FSI hai chiều hiệu năng cao, trong đó kết cấu cánh được mô hình hóa dưới dạng hệ vật – lò xo, kết hợp với mô hình khí động lực học không dừng UVLM. Phương pháp giải hệ phương trình chuyển động phi tuyến dựa trên Quasi-Newton và lý thuyết tìm đường đã được phát triển và kiểm chứng độ tin cậy.

Các kết quả đạt được bao gồm khảo sát đặc tính đàn hồi khí động của cánh cứng và cánh mềm ở chế độ bay treo, làm rõ ảnh hưởng của biến dạng đến lực khí động và công suất tiêu thụ. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các thông số động học chính (biên độ, tần số vẫy, giá trị trung bình của các góc Euler) và độ cứng kết cấu (quy luật phân bố độ cứng chống uốn, chống xoắn) đến đặc tính tạo lực nâng và hiệu suất năng lượng của cánh. Những đóng góp mới của luận án là việc phát triển mô hình động lực học phi tuyến và chương trình mô phỏng FSI hai chiều, cùng với việc nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu côn trùng, từ đó rút ra các kết luận, nhận xét và khuyến cáo có giá trị khoa học và thực tiễn cho thiết kế TBB phỏng côn trùng. Các khuyến cáo bao gồm sử dụng cánh mềm để tăng lực nâng và hiệu suất năng lượng, có thể bỏ qua chuyển động lên – xuống của cánh khi thiết kế động học, lựa chọn độ cứng sao cho tỉ lệ tần số dao động riêng thứ nhất và tần số vẫy gần giá trị tối ưu, và thiết kế phân bố gân tăng cứng để độ cứng ở mút cánh nhỏ nhằm tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, cách tiếp cận này có thể áp dụng cho các kết cấu khác như cánh máy bay, cánh quạt trực thăng, robot cơ cấu mềm.

Mục lục chi tiết:

• Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
• Chương 2. Mô hình mô phỏng FSI cho cánh vẫy kiểu côn trùng.
• Chương 3. Kiểm chứng mô hình tính toán.
• Chương 4. Nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu côn trùng.