MULTIPARAMETRIC OPTIMIZATION OF THE ROTOR BLADE DESIGN OF A HELICOPTER WITH CONTROLLED GEOMETRY

Abstract


In flight, the rotor blades of a helicopter create significant fluctuations and noise due to changes in the aerodynamic loads acting on them when their azimuth angle changes. Various methods are used to reduce the resulting vibrations and noise. For example, with the advent of active materials, the concept of a rotor with active twisting was proposed. The actuators integrated into the main rotor blade skin create dynamic twisting and curvature of the blade, adapted at any time to flight conditions and significantly reducing vibrations and noise, as well as improving flight characteristics. This work is devoted to the multiparametric optimization of the blade design with controlled geometry. The formulation of the problem of multiparametric optimization of a composite structure based on thermo-piezoelectric analogy is formulated. The target function is selected. The parameters of optimization of the blade design are determined and constraints for the selected parameters are formulated. A method of design of the blade structure with controlled geometry has been developed, which includes three program blocks. The first block is a mathematical model. The second block is the construction of an experiment planning matrix. The third block is to obtain a surface response and search for an extremum. The optimal parameters of the active (control) and power elements of the blade design with controlled geometry are determined. The obtained solution of the optimization problem was compared with the results of direct numerical simulation. When conducting direct numerical simulation, controlled deformations of the blade under study were calculated at different values of the control electric voltage, the problem was solved in a related formulation using the obtained geometric parameters. The results of this study can be applied in the design of structures with controlled geometry.

Full Text

Во время полета лопасти несущего винта вертолета создают существенные вибрации и шум в силу изменения действующих на них аэродинамических нагрузок при изменении их азимутального угла. Это вызывает дискомфорт пассажиров, увеличение рабочей нагрузки летчика, уменьшение усталостного ресурса конструкционных элементов, ограничение скорости горизонтального полета и увеличение эксплуатационных расходов [1, 2]. Традиционный способ снижения вибраций — пассивный подход, использующий виброгасители и амортизаторы [3, 4]. Однако такой подход связан с нежелательным увеличением массы конструкции и недостаточным снижением вибраций. Позже были разработаны новые способы управления, использующие активные подходы, такие, как управление высшими гармониками (УВГ) и раздельное управление лопастями (РУЛ). Их недостатки обусловлены неблагоприятными требованиями к мощности, ограничениями на частоты возбуждения в УВГ и исключительной механической сложностью гидравлических контактных колец в РУЛ [5]. С появлением активных материалов была предложена концепция несущего винта с активным закручиванием [6-9]. Актуаторы, интегрированные в обшивку лопасти несущего винта, создают динамическое закручивание и искривленность лопасти, приспособленные в любой момент времени к условиям полета, существенно снижающие вибрации и шум, а также улучшающие летные характеристики [10-12]. В настоящее время известны некоторые работы, описывающие теоретические основы создания конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с управляемой геометрией [13 15]. Кроме того, имеются примеры создания лабораторных экземпляров и действующих макетов таких конструкций [16-18]. Для моделирования механического поведения конструкций, оснащённых управляющими пьезоактуаторами, используют различные подходы. Например, для численного моделирования механического поведения тонкостенных композиционных пластин используют метод Релея-Ритца [19]. Однако данный метод применим только для решения плоских задач. Широкое применение в качестве эффективной методологии нашёл метод термоаналогии [20-22]. Данный метод описывает только обратный пьезоэлектрический эффект, не учитывая при этом прямой. Кроме того, существуют модели конструкций в связанной постановке, например, модель, учитывающая эффекты инерции и жесткости материала с внедрённым пьезоэлементом, основанная на теории пластин Кирхгофа [23]. Данная модель также применима только для решения плоских задач. С помощью уравнений Лагранжа выведена связанная электромеханическая модель [24], которая учитывает только прямой пьезоэлектрический эффект. Создаются модели в связанной пьезоэлектроупругой постановке, которые верифицируются по прямому пьезоэффекту [25-27]. Настоящая работа посвящена многопараметрической оптимизации конструкции лопасти несущего винта вертолета с управляемой геометрией. Сформулирована постановка задачи на основе термо-пьезоэлектрической аналогии. Выбрана целевая функция. Определены основные варьируемые параметры конструкции лопасти и сформулированы ограничения для выбранных параметров. Разработана методика проектирования конструкции лопасти с управляемой геометрией. Определены оптимальные параметры активных (управляющих) и силовых элементов конструкции лопасти несущего винта вертолета с управляемой геометрией.

About the authors

A. N Anoshkin

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

P. V Pisarev

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

E. G Nureeva

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

S. R Bayandin

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Косушкин К. Г., Крицкий Б. С., Миргазов Р. М. Анализ махового движения лопастей соосного несущего винта // Материалы XXXIII научно-технической конференции по аэродинамике: Тезисы, Жуковский, 15–16 декабря 2022 года. – Жуковский: Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, 2022. – С. 71-72.
  2. Вершков В. А., Крицкий Б. С., Миргазов Р. М. Численное исследование аэродинамических характеристик шарнирного винта вертолёта в сравнении с экспериментом // Материалы XXXII научно-технической конференции по аэродинамике, Жуковский, 28–29 октября 2021 года. – Жуковский: Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского, 2021. – С. 41-42.
  3. Говердовский В. Н., Зобов А. В. Состояние и методы повышения качества виброзащиты вертолета // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2009. – № 4(24). – С. 191-196.
  4. Хвощев С. О., Макарьянц Г. М. Проблема виброизоляции. Способы решения проблемы виброизоляции // Вопросы устойчивого развития общества. – 2022. – № 8. – С. 1075-1087
  5. Shin S. J., C. Cesnik E. S., Hall S. R. Design and simulation of integral twist control for helicopter vibration reduction // Int. J. Control Autom. Syst. — 2007 — Vol.5, No. 1 — P. 24—34
  6. Zhang Z., Li Y., Yu X., Li X., Wu H., Jiang S., Chai G. Bistable morphing composite structures: A review / // Thin-Walled Structures. – 2019. – Vol. 142. – P. 74-97
  7. Duduta M., Berlinger F. C. J., Nagpal R., Clarke D. R., Wood R. J., Zeynep Temel F. Electrically-latched compliant jumping mechanism based on a dielectric elastomer actuator // Smart Materials and Structures. – 2019. – Vol. 28. – P. 31-38
  8. Rodenas-Herráiz D., Xu X., Fidler P., Soga K. Power-efficient piezoelectric fatigue measurement using long-range wireless sensor networks // Smart Materials and Structures. – 2019. – Vol. 28. – P. 1-17
  9. Jellard S. C. J., Pu S. H., Chen S., Yao K., White N. M. Water droplet impact energy harvesting with P(VDF-TrFE)piezoelectric cantilevers onstainless steel substrates // Smart Materials and Structures. 2019. – Vol. 28. – P. 21-30
  10. Крицкий Б. С., Миргазов Р. М., Лэ В. Ч. Исследование влияния индивидуального управления по высоким гармоникам на виброперегрузки, вызванные силой тяги несущего винта вертолета // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. – 2016. – Т. 19, № 6. – С. 68-76.
  11. Крицкий Б. С., Махнев М. С., Миргазов Р. М., Субботина П. Н., Требунских Т. В. Определение аэродинамических характеристик одиночной лопасти несущего винта в пакетах FLOEFD, ANSYS FLUENT И RC-VTOL // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. – 2016. – № 223(1). – С. 77-83.
  12. Kessler C. Active rotor control for helicopters: individual blade control and swashplateless rotor designs // CEAS Aeronautical Journal. – 2011. – Vol. 1. – P. 23–54
  13. Zhang C., Siegel S. H., Yenuganti S., Zhang H. Sensitivity analysis of piezo-driven stepped cantilever beams for simultaneous viscosity and density measurement // Smart Materials and Structures. – 2019. – Vol. 28. – P. 6-72
  14. Deraman A. S., Niirmel R., Mohamad M. R. Analysis of Rectangular Flexible Horizontal Piezoelectric Cantilever Beam Base on ANSYS // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 917
  15. Wang X., Xia P., Masarati P. Optimal Control of Pretwisted Rotating Thin-Walled Beams via Piezoelectrically Induced Couplings // AIAA Journal. – 2019. – Vol. 1–17
  16. Li M., Yuan J. X, Guan D., Chen W. M. Application of piezoelectric fiber composite actuator to aircraft wing for aerodynamic performance improvement // Science China Technological Sciences. – 2011. – Vol.54. № 2. – p. 395-402
  17. Юрлова Н. А., Ошмарин Д. А., Севодина Н. В. Численный анализ вынужденных установившихся колебаний электровязкоупругой системы при совместном воздействии механических и электрических нагрузок // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 4. – С. 67-79.
  18. Matveenko V. P., Oshmarin D. A., Iurlova N. A. An Application of Graphene Composites for Additional Damping of Vibrations of Smart Structures Based on Piezoelectric Elements // Advanced Structured Materials. – 2022. – Vol. 156. – P. 137-146
  19. Gozum M. M., Aghakhani A., Serhat G., Basdogan I. Electroelastic modeling of thin-laminated composite plates with surface-bonded piezo-patches using Rayleigh–Ritz method // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2018. – Vol. 29(10). – P. 2192–2205
  20. Cote F., Masson P., Mrad N., Cotoni V. Dynamic and static modelling of piezoelectric composite structures using a thermal analogy with MSC/NASTRAN // Composite Structures – 2004. – Vol. 65. – P.471-484
  21. Dong X.-J., Meng G. Dynamic analysis of structures with piezoelectric actuators based on thermal analogy method // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2006. – Vol. 27. – P.841-844
  22. Staworko M., Uhl T. Modeling and simulation of piezoelectric elements – comparison of available methods and tools / // Mechanics. – 2008. – Vol. 27. – P. 161-171
  23. Yoon H., Youn B. D., Kim H. S. Kirchhoff plate theory-based electromechanically-coupled analytical model considering inertia and stiffness effects of a surface-bonded piezoelectric patch // Smart Materials and Structures. – 2016. – Vol. 25(2), art. № 025017
  24. Cao D., Gao Y., Hu W. Modeling and power performance improvement of a piezoelectric energy harvester for low-frequency vibration environments // Acta Mechanica Sinica. – 2019. – Vol. – 35(4). – P. 894–911
  25. Kuang Y., Zhu M.. Evaluation and validation of equivalent properties of macro fibre composites for piezoelectric transducer modelling. // Composites Part B: Engineering. – 2019. – Vol. 158. – P. 189–197
  26. Acosta K. L., Srivastava S., Wilkie W. K., Inman D. J. Primary and secondary pyroelectric effects in macro-fiber composites // Composites Part B: Engineering. – 2019. – Vol. 177. – art. № 107275
  27. Baghaee M., Farrokhabadi A., Jafari-Talookolaei R.-A. Modeling, analysis, and control of MFC sandwiched laminate panel flutter with general layups and arbitrary boundary conditions // Composite Structures. – 2019. – Vol. 223. – art. № 110940
  28. Pan'kov A. A., Pisarev P. V. Numerical model of optical fiber piezoelectric feedback detector used for aviation composite constructions elements' geometry control // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 510. – art. № 012029
  29. Nasser H., Kiefer-Kamal E.-H., Hu H., Belouettar S., Barkanov E. Active vibration damping of composite structures using a nonlinear fuzzy controller // Composite Structures. – 2012. – Vol. 94. – P. 1385-1390
  30. Матвеенко В. П., Ошмарин Д. А., Юрлова Н. А. Использование электропроводящих композиционных материалов для дополнительного демпфирования смарт-систем на основе пьезоэлементов // Прикладная механика и техническая физика. – 2021. – Т. 62, № 5(369). – С. 45-57
  31. Bortnikov A. D. Experimental study on active damping of compressor blade forced vibrations using piezoelements // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 489. – art. № 012035
  32. Wilke G., Bailly J., Kimura K., Tanabe Y. JAXA-ONERA-DLR cooperation: results from rotor optimization in hover // CEAS Aeronautical Journal – 2022. – Vol. 13. – P. 313-333
  33. Vasil’chenko K. S., Reznik S. V., Aung N. L., Gareev A. R. Selection of the Optimal Airfoil for the Small-Sized Unmanned Helicopter Main Rotor Blade // Russian Aeronautics. – 2022. – Vol. 65, No. 3. – P. 524–532
  34. Lee J. H., Natarajan B., Eun W. J., Viswamurthy S. R., Park J.-S., Kim T., Shin S. J. Structural and mechanism design of an active trailing-edge flap blade // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2013. – Vol. 27. – P. 2605–2617
  35. Wildschek A., Storm S., Herring M., Drezga D., Korian V., Roock O. Design, Optimization, Testing, Verification, and Validation of the Wingtip Active Trailing Edge // Smart Intelligent Aircraft Structures (SARISTU). – 2015. – P. 219–255
  36. Haucke F., Bauer M., Nitsche W. Combined Active Separation Control on the Leading Edge and on the Trailing Edge Flap of a Slatless High-Lift Configuration // New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics X. – 2016. – P. 215–225
  37. Wierach P., Riemenschneider J., Opitz S., Hoffmann F. Experimental Investigation of an Active Twist Model Rotor Blade Under Centrifugal Loads // Wiedemann, M. Adaptive, tolerant and efficient composite structures / M. Wiedemann, M. Sinapius. – 2012. – P. 391-407
  38. Barkanov E., Kovalov A., Wierach P., Riemenschneider J. Optimized Comparative Analysis of an Active Twist for Helicopter Rotor Blades with C- and D-Spar Designs // Mechanics of Composite Materials. – 2018. – Vol. 54. – P. 553–566
  39. Hoffmann F., Keimer R., Riemenschneider J. Structural modeling and validation of an active twist model rotor blade // CEAS Aeronautical Journal. – 2016. – Vol. 7. – P. 43–55
  40. Barkanov E., Gluhih S., Kovalov A. Optimal design of the active twist for helicopter rotor blades with C-spar // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2008. – Vol. 15. – P. 325-334
  41. SmartMaterial [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL:https://www.smart-material.com/media/Datasheets/SMARTChargeInstructionsV1%202.pdf (15.06.2023)
  42. Anoshkin А. N., Pisarev P. V., Barkanov E., Ashihmin V. A. Numerical Calculation of the SMART - Construction Torsion Angle Depending on the MFC PZT Fibers Polarization Angle // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2188(1). – art. №. 040006
  43. Anoshkin A. N., Pisarev P. V., Bayandin S. R., Kungurtseva E. G. Numerical calculation of composite structures equipped with flexible piezoactuators stress-strain state // AIP Conference Proceedings: 28TH Russian Conference on Mathematical Modelling in Natural Sciences. – 2020. – Vol. 2216(1). – art. №. 04001

Statistics

Views

Abstract - 254

PDF (Russian) - 128

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Anoshkin A.N., Pisarev P.V., Nureeva E.G., Bayandin S.R.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies