Nghiên cứu đàn hồi khí động cánh vẫy côn trùng - Lê Vũ Đan Thanh, Học viện Kỹ thuật Quân sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ VŨ ĐAN THANH NGHIÊN CỨU ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH VẪY KIỂU CÁNH CÔN TRÙNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH CƠ HỆ NHIỀU VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ VŨ ĐAN THANH NGHIÊN CỨU ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH VẪY KIỂU CÁNH CÔN TRÙNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH CƠ HỆ NHIỀU VẬT Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật Mã số : 9.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Anh Tuấn PGS.TS Đặng Ngọc Thanh HÀ NỘI - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Lê Vũ Đan Thanh, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, ngày ……tháng….năm 2023 Tác giả luận án Lê Vũ Đan Thanh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Tuấn và PGS.TS Đặng Ngọc Thanh đã nhiệt tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy và đồng nghiệp trong Bộ môn Cơ học máy/Khoa cơ khí, Bộ môn Thiết kế Hệ thống Kết cấu Thiết bị bay/Khoa Hàng không vũ trụ và các đồng chí cán bộ, nhân viên Phòng Sau đại học/Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi cũng bày tỏ tình cảm trân trọng biết ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Lê Vũ Đan Thanh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ------------------------------------------------------------------------ i LỜI CẢM ƠN ---------------------------------------------------------------------------- ii MỤC LỤC ------------------------------------------------------------------------------- iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU -------------------------------------------------------- vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT --------------------------------------------- viii DANH MỤC CÁC BẢNG ------------------------------------------------------------ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ --------------------------------------------------------- x MỞ ĐẦU --------------------------------------------------------------------------------- 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU---------------------- 5 1. Tổng quan về thiết bị bay cánh vẫy kiểu côn trùng------------------------------- 5 1.

Hiện tượng đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu côn trùng ------------------- 13 1.1 Một số đặc trưng khí động lực học của cánh vẫy kiểu côn trùng------- 13 1.2 Các phương pháp nghiên cứu đàn hồi khí động của cánh vẫy kiểu côn trùng ---------------------------------------------------------------------------------------- 18 1. Cách tiếp cận động lực học hệ nhiều vật để nghiên cứu đàn hồi khí động cánh vẫy --------------------------------------------------------------------------------------------- 21 1. Nghiên cứu tham số động học và độ cứng của cánh vẫy ---------------------- 22 1.1 Ảnh hưởng của các tham số động học đến khí động lực học cánh vẫy 22 1.2 Ảnh hưởng của độ cứng đến khí động lực học cánh vẫy ---------------- 26 1. Kết quả nghiên cứu đạt được từ các công trình đã công bố và những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ---------------------------------------------------------------------- 28 1.

Những nội dung nghiên cứu trong luận án --------------------------------------- 29 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FSI CHO CÁNH VẪY KIỂU CÔN TRÙNG -----------------------------------------------------------------------31 2. Đặt bài toán ----------------------------------------------------------------------------- 31 iv 2.1 Các hệ trục tọa độ ---------------------------------------------------------------- 32 2.3 Các đặc trưng của loài bướm Manduca Sexta ------------------------------ 36 2. Mô hình kết cấu cánh vẫy kiểu côn trùng ---------------------------------------- 38 2.1 Mô hình phần tử hữu hạn ------------------------------------------------------- 38 2.2 Mô hình dầm tương đương ----------------------------------------------------- 39 2.3 Mô hình hệ vật – lò xo ---------------------------------------------------------- 46 2.

Mô hình khí động lực học UVLM ------------------------------------------------- 52 2.1 Mô hình toán học ----------------------------------------------------------------- 52 2.2 Mô hình khuếch tán xoáy ------------------------------------------------------- 57 2.3 Mô hình xoáy mép trước-------------------------------------------------------- 58 2. Phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động --------------------- 62 2. Mô hình tích hợp trong nghiên cứu tương tác kết cấu – chất lưu ------------ 64 CHƯƠNG 3. KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN -------------------------71 3.

Kiểm chứng chương trình tính toán động lực học ------------------------------ 71 3. Kiểm chứng phương pháp xây dựng mô hình cánh vẫy kiểu côn trùng dưới dạng cơ hệ nhiều vật ------------------------------------------------------------------------- 75 3. Kiểm chứng mô hình khí động ----------------------------------------------------- 82 3. Kiểm chứng mô hình tính toán tương tác kết cấu – chất lưu FSI ------------ 84 CHƯƠNG 4.

NGHIÊN CỨU ĐÀN HỒI KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH VẪY KIỂU CÔN TRÙNG -----------------------------------------------------------------------90 4. Cánh côn trùng trong chế độ bay treo --------------------------------------------- 90 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học đến đặc tính đàn hồi khí động --------------------------------------------------------------------------------------------100 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng kết cấu cánh đến đặc tính đàn hồi khí động --------------------------------------------------------------------------------------------112 4.1 Ảnh hưởng của các hệ số 𝑎𝑎1𝑏𝑏 và 𝑎𝑎1𝑡𝑡 ------------------------------------------112 v 4.2 Ảnh hưởng của dạng độ cứng chống uốn ----------------------------------119 4.3 Ảnh hưởng của dạng độ cứng chống xoắn---------------------------------122 4.

Phân tích kết quả và ứng dụng trong thiết kế TBB kiểu côn trùng ---------125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ------------------------------------------------------ 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ---------------------------------- 131 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa – giải thích B𝑘𝑘𝑅𝑅 Ma trận xoay từ hệ tọa độ (k-1) đến hệ tọa độ k 𝐷𝐷 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 , 𝜇𝜇𝜇𝜇 Các đường kính ngoài và trong của gân 𝐷𝐷 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 EI 𝑁𝑁 ∙ 𝑚𝑚2 Độ cứng chống uốn 𝑓𝑓 𝐻𝐻𝐻𝐻 Tần số vẫy 𝑓𝑓1, 𝑓𝑓2 𝐻𝐻𝐻𝐻 Tần số dao động riêng thứ n hất và thứ hai 𝑓𝑓1∗ Tỉ lệ tần số riêng 𝑖𝑖 𝑓𝑓𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 , 𝑓𝑓𝑏𝑏𝑖𝑖 Hz Tần số dao động riêng thứ i của mô hình PTHH và mô hình dầm GJ 𝑁𝑁 ∙ 𝑚𝑚2 Độ cứng chống xoắn 𝐼𝐼 ̅ Mô men quán tính trên một đơn vị độ dài không thứ nguyên dọc theo trục đàn hồi J Hàm chi phí tối ưu 𝐿𝐿𝑚𝑚 mN Lực nâng trung bình trong một chu kỳ vẫy 𝑚𝑚 � kg/m Khối lượng trên một đơn vị độ dài không thứ nguyên 𝑚𝑚𝑤𝑤 kg Khối lượng cánh 𝑃𝑃𝑚𝑚 mW Công suất trung bình trong một chu kỳ vẫy 𝑃𝑃𝑝𝑝 , 𝑃𝑃 𝑧𝑧 mW Công suất khi giả thiết có và không có dự trữ năng lượng 𝑃𝑃� 𝑝𝑝 , 𝑃𝑃� 𝑧𝑧 W/kg Công suất trên một đơn vị khối lượng với giả thiết có và không có dự trữ năng lượng 𝑅𝑅 m Độ dài cánh 𝜂𝜂𝑝𝑝 , 𝜂𝜂 𝑧𝑧 W/N Công suất trung bình trên một đơn vị lực khi giả thiết có và không có dự trữ năng lượng vii 𝑎𝑎 𝑎𝑎 𝑄𝑄𝑗𝑗 𝐹𝐹 , 𝑄𝑄𝑗𝑗 𝑀𝑀 𝑁𝑁 ∙ 𝑚𝑚 Lực và mô men khí động suy rộng 𝑄𝑄𝑗𝑗𝑠𝑠 𝑁𝑁 ∙ 𝑚𝑚 Lực lò xo suy rộng 𝑟𝑟 𝑚𝑚 Tọa độ dọc theo sải cánh 𝑟𝑟̅ Tọa độ tương đối dọc theo sải cánh 𝑟𝑟𝑐𝑐 𝑚𝑚 Bán kính lõi xoáy 𝑇𝑇𝑘𝑘 J Động năng của vật thứ k V𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐 m/s Vận tốc của tâm khối lượng vật thứ k trong hệ tọa độ cục bộ gắn với vật thứ k 𝑥𝑥𝑐𝑐 ��� Tọa độ tâm khối lượng không thứ nguyên của một dải cánh Γ𝑖𝑖 Lưu số vận tốc của đoạn xoáy trên khung xoáy thứ i 𝜃𝜃0 Độ Góc lên – xuống trung bình 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜃𝜃𝑚𝑚 Độ Góc lên – xuống trung bình trong một chu kỳ vẫy tại tâm áp 𝜂𝜂𝑗𝑗 Tọa độ suy rộng chưa biết thứ j 𝜙𝜙1, 𝜃𝜃1, 𝛼𝛼1 Độ Các góc quét, góc lên – xuống, góc xoay tại gốc cánh 𝜙𝜙𝑎𝑎 , 𝜃𝜃𝑎𝑎 , 𝛼𝛼𝑎𝑎 Độ Biên độ của các góc quét, góc lên – xuống, góc xoay 𝜙𝜙0, 𝜃𝜃0, 𝛼𝛼0 Độ Giá trị trung bình của các góc quét, góc lên – xuống, góc xoay ω𝑘𝑘𝑘𝑘 rad/s Vận tốc góc của vật thứ k trong hệ tọa gắn với vật thứ k ω𝑘𝑘 𝑘𝑘/𝑘𝑘−1 rad/s Vận tốc góc của vật thứ k so với vật thứ (k-1) trong hệ tọa gắn với vật thứ k viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADAMS Automated Dynamic Analysis of Phần mềm mô phỏng động lực học Mechanical Systems hệ nhiều vật của MSC APDL Ansys Parametric Design Language Ngôn ngữ lập trình dùng cho phần mềm Ansys Mechanical BET Blade Element Theory Lý thuyết phần tử cánh CFD Computational Fluid Dynamics Động lực học chất lưu tính toán CSD Computational Structural Dynamics Động lực học kết cấu tính toán FSI Fluid structure interaction Tương tác kết cấu – chất lưu FWMAV Flapping-Wing Micro Air Vehicle Thiết bị bay cánh vẫy siêu nhỏ LBFPM Lattice Boltzmann Flexible Particle Phương pháp Lattice Boltzmann Method hạt mềm MAC Modal Assurance Criterion Số MAC MAV Micro Air Vehicle Thiết bị bay siêu nhỏ MBD Multi-Body dynamics Động lực học hệ nhiều vật MEMS Micro-Electromechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử PIV Particle Image Velocimetry Phương pháp đo vận tốc ảnh hạt PTHH Phần tử hữu hạn RANS Reynolds-Averaged Navier–Stokes Phương trình Navier–Stokes trung bình hóa theo số Reynolds TBB Thiết bị bay UVLM Unsteady Vortex-Lattice Method Phương pháp xoáy không dừng XMT Leading Edge Vortex Xoáy mép trước ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Đặc trưng hình học và khối lượng của loài bướm Manduca Sexta .2 Thông số của các phần tử PTHH .3 Hệ số của các đa thức xấp xỉ đặc tính quán tính dọc theo sải cánh.4 Hệ số của các hàm độ cứng tối ưu .5 Tần số và số MAC của các dạng dao động riêng trước và sau tối ưu .1 Thông số hình học và khối lượng của các vật .2 Độ cứng của các lò xo .3 Những tùy chỉnh mô phỏng chính trong MSC/ADAMS .4 Tần số dao động riêng của cánh trước loài bướm Manduca Sexta .5 So sánh dao động riêng giữa các mô hình .6 So sánh biên độ góc vẫy tại vị trí các điểm đo .7 Các thông số của cánh trong thực nghiệm [121] .8 Các thông số chính của thực nghiệm cho cánh FWMAV [10] .1 Các thông số động học khi bay treo của loài bướm Manduca sexta .2 Thời gian mô phỏng cho các chu kỳ khác nhau .3 Các thành phần lực và công suất trung bình theo chu kỳ .4 Khoảng khảo sát của các tham số. 100 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số TBB cánh vẫy đặc trưng .2 Các dạng TBB cánh vẫy .3 Cấu trúc cánh côn trùng .4 Chuyển động của cánh côn trùng trong một chu kỳ vẫy .5 Quy trình thiết kế chế tạo cánh của TBB kiểu côn trùng phỏng theo loài bướm Manduca sexta [29] .6 Một số hiện tượng khí động đặc trưng của cánh côn trùng .7 Các phương pháp nghiên cứu khí động côn trùng .8 Hiệu ứng xoay bổ sung [82] .1 Hệ tọa độ và các góc Euler .2 Cánh loài bướm Manduca sexta và sơ đồ phân bố gân [26] .3 Mô hình các phần tử dầm và màng .4 Mô hình phần tử hữu hạn của cánh loài bướm Manduca Sexta .5 Phân bố giá trị chuẩn hóa của các đặc tính khối lượng theo sải cánh .6 Hệ các lực điểm để đo độ cứng uốn và xoắn .7 Phân bố độ cứng dọc theo sải cánh và hàm xấp xỉ tương ứng của cánh trước .8 Phân bố độ cứng dọc theo sải cánh và hàm xấp xỉ tương ứng của cánh đầy đủ .9 So sánh các dạng dao động riêng của mô hình PTHH và mô hình dầm cho cánh đầy đủ.10 Mô hình hệ vật-lò xo .11 Mô hình cánh và phân bố các khung xoáy .