МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА С УПРАВЛЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ

Аннотация


Во время полета лопасти несущего винта вертолета создают существенные колебания и шум в силу изменения действующих на них аэродинамических нагрузок при изменении их азимутального угла. Для снижения возникающих вибраций и шума используют различные методы. Например, с появлением активных материалов была предложена концепция несущего винта с активным закручиванием. Актуаторы, интегрированные в обшивку лопасти несущего винта, создают динамическое закручивание и искривленность лопасти, приспособленные в любой момент времени к условиям полета, существенно уменьшающие колебания и шум, а также улучшающие летные характеристики. Настоящая работа посвящена многопараметрической оптимизации конструкции лопасти несущего винта вертолета с управляемой геометрией. Сформулирована постановка задачи многопараметрической оптимизации композитной конструкции 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, которая включает в себя три программных блока. Первый блок – математическая модель. Второй блок – построение матрицы планирования экспериментов. Третий блок – получение поверхностного отклика и поиск экстремума. Определены оптимальные параметры активных (управляющих) и силовых элементов конструкции лопасти с управляемой геометрией. Полученное решение оптимизационной задачи сравнивалось с результатами прямого численного моделирования. При проведении прямого численного моделирования рассчитывались управляемые деформации исследуемой лопасти при различных значениях управляющего электрического напряжения, задача решалась в связанной трехмерной постановке с использованием полученных геометрических параметров. Результаты настоящего исследования могут быть применимы при проектировании конструкций с управляемой геометрией.

Полный текст

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.

Об авторах

А. Н Аношкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

П. В Писарев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Е. Г Нуреева

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

С. Р Баяндин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 254

PDF (Russian) - 128

Cited-By


PlumX


© Аношкин А.Н., Писарев П.В., Нуреева Е.Г., Баяндин С.Р., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах