Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đến lực nâng của cánh vẫy kiểu côn trùng

Trong bài báo "Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đến lực nâng của cánh vẫy kiểu côn trùng", các tác giả xây dựng một chương trình tính toán khí động lực học đàn hồi cho cánh vẫy kiểu côn trùng dựa trên cách tiếp cận động lực học đa vật, trong đó kết cấu cánh được mô hình hóa dưới dạng hệ vật – lò xo và kết hợp với bộ giải khí động bằng phương pháp xoáy không dừng UVLM mở rộng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đến lực nâng của cánh vẫy kiểu côn trùng 212 Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ XI, Hà Nội, 02-03/12/2022 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đến lực nâng của cánh vẫy kiểu côn trùng Lê Vũ Đan Thanh1,*, Đặng Ngọc Thanh1 và Nguyễn Anh Tuấn1 1 Học viện Kỹ thuật Quân sự *Email: danthanh@lqdtu.edu.vn Tóm tắt. Cũng giống như các loài côn trùng trong tự nhiên, cánh của các thiết bị bay (TBB) cánh vẫy phỏng côn trùng thường được làm bằng các vật liệu nhẹ để giảm khối lượng. Khi vẫy trong không khí, chúng bị biến dạng và có ảnh hưởng lớn đến đặc tính khí động của TBB. Do đó, việc lựa chọn độ cứng phù hợp cho kết cấu cánh có ý nghĩa quan trọng trong quá trình thiết kế các TBB loại này. Trong bài báo này, các tác giả xây dựng một chương trình tính toán khí động lực học đàn hồi cho cánh vẫy kiểu côn trùng dựa trên cách tiếp cận động lực học đa vật, trong đó kết cấu cánh được mô hình hóa dưới dạng hệ vật – lò xo và kết hợp với bộ giải khí động bằng phương pháp xoáy không dừng UVLM mở rộng. Từ đó, xác định lực nâng trung bình trong mỗi chu kỳ với các độ cứng uốn khác nhau. Kết quả cho thấy, lực nâng lớn nhất đạt được khi tần số dao động riêng thứ nhất của kết cấu cánh xấp xỉ hai lần tần số vẫy. Từ khóa: Cánh vẫy kiểu côn trùng, Khí động lực học đàn hồi, Động lực học đa vật.1. Mở đầu Các loài côn trùng có những đặc tính bay vượt trội như khả năng bay treo, bay lùi, cất – hạ cánhnhanh [1]. Cánh của chúng là kết cấu nhẹ, đàn hồi, thường là một tấm màng da được trợ lực bởi cácgân hình côn, to ở gốc cánh và thon dần về mút cánh. Côn trùng hiện là nguồn cảm hứng cho nhiềunghiên cứu về TBB cánh vẫy phỏng sinh học. Cánh của TBB loại này phải làm bằng các vật liệu đủnhẹ để đảm bảo về mặt khối lượng cất cánh, cũng như giảm công suất hoạt động của động cơ. Để tăngđộ cứng của cánh, các kết cấu thường được gia cố thêm hệ thống khung carbon tương tự cấu trúc gâncủa cánh côn trùng [2]. Thực nghiệm cho thấy khi vẫy trong không khí, cánh bị biến dạng và có ảnhhưởng lớn đến các đặc tính khí động của TBB [3]. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của độ cứng đến khả năng tạo lực của cánh vẫy kiểu côn trùngchủ yếu bằng thực nghiệm. Mountcastle và Combes [4] đã tiến hành thử nghiệm trên cánh của loài ongvò vẽ và thấy rằng những biến dạng thụ động của cánh có thể làm tăng lực nâng. Các nghiên cứu thựcnghiệm của Campos và cộng sự [5] và Fu và cộng sự [6] lại cho thấy cánh quá mềm sẽ dẫn đến biếndạng uốn lớn, theo đó làm suy giảm các xoáy và giảm khả năng tạo lực. Cũng có một số nghiên cứumô phỏng về vấn đề này, như nghiên cứu của Du và Sun [7] cho thấy sử dụng cánh mềm làm tăng lựcnâng 10% và giảm công suất 5% so với cánh cứng. Truong [8] sử dụng chương trình tính toán tươngtác kết cấu – chất lưu (FSI) để nghiên cứu 3 mô hình cánh vẫy, gồm cánh cứng, cánh mềm và cánh rấtmềm. Kết quả cho thấy, cánh mềm có chất lượng khí động cao hơn so với cánh cứng, còn cánh rấtmềm lại có chất lượng khí động kém hơn cánh cứng. Các tác giả cho rằng có một khoảng độ cứng củacánh mà tại đó tối ưu về mặt khí động. Tuy nhiên, do các mô hình mô phỏng FSI thường đòi hỏi khốilượng tính toán lớn, nên các nghiên cứu ở trên thường chỉ khảo sát được ít trường hợp, và kết quả cơbản chỉ mang tính chất định tính. Trong bài báo này, các tác giả xây dựng một mô hình tương tác kết cấu – chất lưu FSI cho cánhvẫy kiểu côn trùng dựa trên cách tiếp cận động lực học đa vật. Kết cấu cánh được mô hình hóa dướidạng hệ các vật cứng nối với nhau bằng lò xo uốn và xoắn. Hệ vật – lò xo được kết hợp với chươngtrình tính toán khí động lực học bằng xoáy không dừng UVLM mở rộng. Cách tiếp cận này cho phépgiảm thời gian tính toán so với các phương pháp nghiên cứu FSI trước đây, do đó có thể áp dụng đểkhảo sát ảnh hưởng của độ cứng uốn đến lực nâng của cánh một cách cụ thể hơn. 213 Lê Vũ Đan Thanh, Đặng Ngọc Thanh, Nguyễn Anh Tuấn2. Mô hình tính toán Bài báo này nghiên cứu mô hình cánh của loài nhậy Manduca Sexta. Phương pháp xây dựng môhình kết cấu cánh đã được trình bày cụ thể trong một số nghiên cứu trước đây của các tác giả [9-11],sẽ được nêu lại một cách ngắn gọn để đảm bảo tính thống nhất của bài báo. Mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) của cánh (Hình 1a) được xây dựng dựa trên dữ liệu thựcnghiệm của O’Hara và Palazotto [12]. Với giả thiết rằng trục đàn hồi đi qua điểm mút cánh và gốccánh, kết cấu cánh được mô hình hóa bằng một dầm Euler-Bernoulli chịu uốn và xoắn. Các đặc tínhquán tính như khối lượng, mô men quán tính và ...