Mô phỏng sự cố phanh khi vận chuyển máy bay USAF
Bởi Andrew Clark và Jared Butterfield, Trưởng bộ phận kỹ thuật phân tích kết cấu, Không lực Hoa Kỳ, Hill AFB, USA
Máy bay phản lực của không lực Hoa Kỳ đã bị hư hỏng khi máy kéo móc vận chuyển chúng xung quanh căn cứ đột ngột dừng lại. Đội ngũ kỹ thuật của không lực Hoa Kỳ đã sử dụng ANSYS Mechanical để xác định nguyên nhân của vấn đề và đưa ra giải pháp tối ưu cho vấn đề trị giá hàng triệu đô la này.
Vì sao cần sử dụng mô phỏng?
Bởi vì khả năng kinh tế là một trong những vấn đề quan trọng của bộ quốc phòng Hoa Kỳ nên kỹ thuật áp dụng cho các ý tưởng (để tối ưu hóa khả năng hoạt động của vốn đầu tư trong quá trình kiểm soát chi phí) đang ngày càng trở nên quan trọng. Mô phỏng kỹ thuật đang đóng vai trò ngày càng lớn. Vấn đề này chắc chắn là mối quan tâm lớn của không lực Hoa Kỳ (USAF).
Trước khi một chiếc máy bay chiến đấu cất cánh và thực hiện nhiệm vụ, nó phải được kéo ra từ kho bảo trì đến nhà chứa máy bay và từ nhà chứa máy bay đến đường lăn… Máy bay phản lực hạng nhẹ của USAF đã từng bị phá hủy cơ học sau khi một mối ghép trên đòn kéo vượt quá giới hạn thiết kế do việc dừng lại đột ngột của máy kéo. Họ đã ước tính rằng một sự cố hư hỏng kiểu này có thể tiêu tốn chi phí lên đến hơn một triệu đô la.
Máy bay đôi khi trượt ra khỏi máy kéo, vì vậy các sự cố kiểu này có khả năng gây tử vong hoặc gây ra những thương tích nghiêm trọng cho người điều khiển xe kéo móc, chưa kể đến những thiệt hại của máy bay. Các kỹ sư đã gặp những khó khăn vì hệ thống phanh kéo - thành phần của cơ cấu hạ cánh đã gặp những sự cố đặc biệt trong những vụ tai nạn này - phải được thiết kế để có thể chịu được tải từ đòn kéo.
Thử nghiệm vật lý cho một chiếc máy bay trong thực tế bị hạn chế sử dụng vì chúng không thể bị gặp tai nạn chỉ vì mục đích thử nghiệm. Đội ngũ USAF đã xử lý vấn đề này bằng cách thực hiện mô phỏng một loạt các các sự cố phanh, để xác định các điều kiện mà hệ thống phanh kéo có thể bị hỏng từ đó có thể tránh được các sự cố này trong tương lai.
Ban đầu, phần trên của thanh kéo bị bẻ cong, dẫn đến sự mất ổn định ở phần khung
Mô phỏng giúp xác định nguyên nhân gốc rễ
Đầu tiên đội ngũ của USAF đã thực hiện phân tích phần tử hữu hạn () với ANSYS Mechanical trên hệ thống phanh kéo để xác định xem liệu nó có đủ bền để chống lại các tải kéo lớn nhất theo tiêu chuẩn thiết kế. Các kỹ sư đã xây dựng mô hình của hệ thống phanh kéo và thực hiện một phân tích tĩnh cho thấy rằng hệ thống thậm chí còn bền hơn so với tiêu chuẩn thiết kế.
Hệ thống phanh kéo đã được đặt vào một kiểm tra thực nghiệm và mô phỏng . Kết quả thử nghiệm giống với mô phỏng kết cấu và chứng minh rằng hệ thống đã thực sự vượt qua các tiêu chuẩn thiết kế. Mô phỏng và thực nghiệm đã xác định được một loạt các sự cố xuất hiện trong quá trình phá hủy. Đầu tiên là phần trên của phanh kéo bị bẻ cong dẫn đến sự mất ổn định ở phần khung.
Tiếp theo, đường truyền tải trọng chính thay đổi thành đường thứ cấp và đường truyền của tải yếu hơn liên quan đến tổ hợp các khóa hãm nhỏ. Đường truyền tải trọng thứ cấp này vượt qua chốt ngàm của khóa hãm, vì vậy hệ thống phanh kéo bị hư hỏng nặng.
Tiếp theo, các kỹ sư đã thực hiện một mô phỏng hệ nhiều vật sử dụng ANSYS Mechanical động lực học vật rắn để bổ sung cho ANSYS Workbench nhằm xác định số lượng các tải truyền đến hệ thống phanh kéo khi người lái máy kéo móc thực hiện phanh. Họ đã mô hình hóa mối nối sử dụng phần mềm CAD, sau đó nhập mô hình hình học vào trong ANSYS Workbench và khởi tạo một mô hình phần tử hữu hạn sử dụng các phần tử thanh, tấm vỏ và khối.
Các đặc tính vật liệu bao gồm mođun đàn hồi, hệ số Poisson và khối lượng tập trung hoặc khối lượng riêng được đưa vào mô hình để tính toán độ cứng và các đáp ứng quán tính. Độ cứng của lò xo và các đặc tính giảm chấn đã được xác định cho phần mũi và bộ phận giảm sóc chính khi hạ cánh. Các đặc tính này được áp dụng giống như các khớp do người dùng định nghĩa cho các thanh chống hay các hàm về vị trí và vận tốc.
Thanh kéo móc được gắn vào xe kéo với một khớp nối tịnh tiến sử dụng các phương trình rằng buộc để mô phỏng với kích thước khác nhau của khoảng cách móc – khoảng cách giữa móc trục của xe kéo và vòng móc của đòn kéo. Đòn kéo liên kết với hệ thống phanh hãm trong cơ cấu hạ cánh giúp kéo máy bay, khoảng cách móc là dung sai hoặc độ giơ trong ghép nối này.
Độ cứng vững trong lốp của máy bay chiến đấu và xe kéo nhập vào trong bài toán sử dụng thông tin được cung cấp bởi nhà sản suất lốp. Các kỹ sư đã sử dụng dữ liệu vận tốc theo thời gian qua thử nghiệm vật lý trong thực tế làm đầu vào cho mô phỏng giúp tăng độ chính xác của các đáp ứng tải. Vận tốc và các lực ma sát khi phanh được lý tưởng hóa là tuyến tính theo thời gian.
Sau đó thanh kéo bị bẻ cong, đường truyền tải chính chuyển sang khóa dưới cụm kết nối
Nghiên cứu tham số
Các kỹ sư nhận thấy rằng các tải trọng va đập khác nhau có thể xuất hiện với các loại xe kéo khác nhau, tại các tốc độ khác nhau và với lực phanh khác nhau, trong các điều kiện hoạt động khác nhau... Một vài hoặc tất cả các biến số này có thể là tác động chính đến tải trọng đặt lên hệ thống phanh kéo.
Họ đã đưa ra giải thích cho sự không rõ ràng này bằng cách nghiên cứu các biến tham số mà họ nghi ngờ rằng sẽ đóng vai trò chính trong chuỗi các sự cố này, bao gồm trọng lượng của xe kéo, vận tốc, thời gian tăng tốc, thời gian dừng lại và khoảng cách móc. Mười lăm phân tích động lực học theo thời gian riêng biệt đã được hoàn thành để mô phỏng các sự kết hợp khác nhau của các yếu tố đã được xác định trong giai đoạn thử nghiệm mô hình. Các kết quả thu được từ mười lăm mô phỏng đã được so sánh ngược lại với các các dữ liệu thực nghiệm để kiểm nghiệm lại mô hình.
Các kỹ sư đã kết luận rằng hình dạng của mô hình phanh phụ thuộc vào việc sử dụng máy kéo. Việc này đã lần lượt tác động đến đáp ứng tải và gây ra sự thay đổi đáng kể trong quá trình mô phỏng. Mặc dù vậy họ đã xác định lực nén tối đa được sinh ra từ sự cố khi tác động bị phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách móc. Một khoảng cách móc lớn sẽ sinh ra một lực nén lớn hơn.
Mô phỏng đã cho thấy rằng khi khoảng cách móc lớn hơn 0,5 inch sự va chạm giữa đòn kéo và xe kéo có thể tạo ra những tải trọng nén vượt quá tải trọng giới hạn của hệ thống phanh kéo. Ngoài ra các mô phỏng lặp lại cho thấy việc giảm khoảng cách móc giúp giảm đáng kể tải trọng trong tất cả các phân tích và các điều kiện kiểm tra. Các kỹ sư cũng xác định rằng tải trọng của xe kéo cũng tạo ra một ảnh hưởng lớn, với những chiếc xe kéo nặng hơn gây ra những tải lớn hơn lên hệ thống phanh kéo
Kiểm soát khoảng cách này được đánh giá là một giải pháp đơn giản và hiệu quả trong việc duy trì các tải kéo dưới giới hạn cho phép. Đội ngũ kĩ thuật đề nghị các giải pháp mới để giới hạn khoảng cách móc và quy định rằng chỉ những chiếc xe kéo nhỏ hơn một trọng lượng quy định mới có thể được sử dụng để kéo những máy bay nhỏ hơn. Giải pháp mới này sẽ cải thiện độ an toàn và loại bỏ những thiệt hại cho phần mũi của cơ cấu hạ cánh trên những chiếc máy bay đắt tiền trong suốt quá trình kéo.
Ứng dụng đã cung cấp một bản mẫu điển hình trong việc làm thế nào USAF sử dụng kỹ thuật mô phỏng để xác định nguyên nhân gốc rễ của các vấn đề đặc trưng, từ đó có thể xử lý một cách nhanh chóng và hiệu quả giúp tiết kiệm kinh phí và cải thiện khả năng sẵn sàng hoạt động.
Nguồn: ANSYS Advantage V11I2, 2017
Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này
- Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này