Многопараметрическая оптимизация конструкции лопасти несущего винта вертолета с управляемой геометрией

Многопараметрическая оптимизация конструкции лопасти несущего винта вертолета с управляемой геометрией

Автор: Аношкин А.Н., Писарев П.В., Нуреева Е.Г., Баяндин С.Р.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 3, 2024 года.

Бесплатный доступ

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 термопьезоэлектрической 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.

Еще

Многопараметрическая оптимизация, композиционные материалы, управляемая геометрия, лопасть, термопьезоэлектрическая аналогия, целевая функция, параметры оптимизации, ограничения, планирование эксперимента, методика, оптимальное проектирование

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/146282924

IDR: 146282924   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.3.01

Список литературы Многопараметрическая оптимизация конструкции лопасти несущего винта вертолета с управляемой геометрией

  • Косушкин, К.Г. Анализ махового движения лопастей соосного несущего винта / К.Г. Косушкин, Б.С. Крицкий, Р.М. Миргазов // 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.
  • Вершков, В.А. Численное исследование аэродинамических характеристик шарнирного винта вертолёта в сравнении с экспериментом / В.А. Вершков, Б.С. Крицкий, Р.М. Миргазов // 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.
  • Говердовский, В.Н. Состояние и методы повышения качества виброзащиты вертолета / В.Н. Говердовский, А.В. Зобов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2009. - № 4(24). - С. 191-196.
  • Хвощев, С.О. Проблема виброизоляции. Способы решения проблемы виброизоляции / С.О. Хвощев, Г.М. Макарьянц // Вопросы устойчивого развития общества. - 2022. -№ 8. - С. 1075-1087.
  • Shin, S.J. Design and simulation of integral twist control for helicopter vibration reduction / S.J. Shin, E.S. C. Cesnik, S.R. Hall // Int. J. Control Autom. Syst. - 2007 - Vol. 5, no. 1 -P. 24-34.
  • Bistable morphing composite structures: A review / Z. Zhang, Y. Li, X. Yu, X. Li, H. Wu, S. Jiang, G. Chai // Thin-Walled Structures. - 2019. - Vol. 142. - P. 74-97.
  • Electrically-latched compliant jumping mechanism based on a dielectric elastomer actuator / M. Duduta, F.C.J. Berlinger, R. Nagpal, D.R. Clarke, R.J. Wood, F. Zeynep Temel // Smart Materials and Structures. - 2019. - Vol. 28. - P. 31-38.
  • Power-efficient piezoelectric fatigue measurement using long-range wireless sensor networks / D. Rodenas-Herraiz, X. Xu, P. Fidler, K. Soga // Smart Materials and Structures. - 2019. -Vol. 28. - P. 1-17.
  • Water droplet impact energy harvesting with P(VDF-TrFE)piezoelectric cantilevers onstainless steel substrates / S.C.J. Jellard, S.H. Pu, S. Chen, K. Yao, N.M. White // Smart Materials and Structures. 2019. - Vol. 28. - P. 21-30.
  • Крицкий, Б.С. Исследование влияния индивидуального управления по высоким гармоникам на виброперегрузки, вызванные силой тяги несущего винта вертолета / Б.С. Крицкий, Р.М.Миргазов, В.Ч. Лэ // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2016. - Т. 19, № 6. - С. 68-76.
  • Определение аэродинамических характеристик одиночной лопасти несущего винта в пакетах FLOEFD, ANSYS FLUENT И RC-VTOL / Б.С. Крицкий, М.С. Махнев, Р.М. Мир-газов, П.Н. Субботина, Т.В. Требунских // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2016. - № 223(1). - С. 77-83.
  • Kessler, C. Active rotor control for helicopters: individual blade control and swashplateless rotor designs / C. Kessler // CEAS Aeronautical Journal. - 2011. - Vol. 1. - P. 23-54.
  • Sensitivity analysis of piezo-driven stepped cantilever beams for simultaneous viscosity and density measurement / C. Zhang, S.H. Siegel, S. Yenuganti, H. Zhang // Smart Materials and Structures. - 2019. - Vol. 28. - P. 6-72.
  • Deraman, A.S. Analysis of Rectangular Flexible Horizontal Piezoelectric Cantilever Beam Base on ANSYS / A.S. De-raman, R. Niirmel, M.R. Mohamad // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2020. - Vol. 917.
  • Wang, X. Optimal Control of Pretwisted Rotating Thin-Walled Beams via Piezoelectrically Induced Couplings / X. Wang, P. Xia, P. Masarati // AIAA Journal. - 2019. - Vol. 1-17.
  • Application of piezoelectric fiber composite actuator to aircraft wing for aerodynamic performance improvement / M. Li, J.X. Yuan, D.Guan, W.M. Chen // Science China Technological Sciences. - 2011. - Vol. 54, № 2. - Р. 395-402.
  • Юрлова, Н.А. Численный анализ вынужденных установившихся колебаний электровязкоупругой системы при совместном воздействии механических и электрических нагрузок / Н.А. Юрлова, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2022. - № 4. - С. 67-79.
  • Matveenko, V.P. An application of graphene composites for additional damping of vibrations of smart structures based on piezoelectric elements / V.P. Matveenko, D.A. Oshmaiin, N.A. Iurlova // Advanced Structured Materials. - 2022. - Vol. 156. - P. 137-146.
  • Electroelastic modeling of thin-laminated composite plates with surface-bonded piezo-patches using Rayleigh-Ritz method / M.M. Gozum, A. Aghakhani, G. Serhat, I. Basdogan // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. - 2018. -Vol. 29(10). - P. 2192-2205.
  • Dynamic and static modelling of piezoelectric composite structures using a thermal analogy with MSC/NASTRAN / F. Cote, P. Masson N., Mrad, V. Cotoni // Composite Structures -2004. - Vol. 65. - P. 471-484.
  • Dong, X.-J. Dynamic analysis of structures with piezoelectric actuators based on thermal analogy method / X.-J. Dong, G. Meng // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2006. - Vol. 27. - P. 841-844.
  • Staworko, M. Modeling and simulation of piezoelectric elements - comparison of available methods and tools / M. Sta-worko, T. Uhl // Mechanics. - 2008. - Vol. 27. - P. 161-171.
  • Yoon, H. Kirchhoff plate theory-based electromechani-cally-coupled analytical model considering inertia and stiffness effects of a surface-bonded piezoelectric patch / H. Yoon, B.D. Youn, H.S. Kim // Smart Materials and Structures. - 2016. -Vol. 25(2), art. № 025017.
  • Cao, D. Modeling and power performance improvement of a piezoelectric energy harvester for low-frequency vibration environments / D. Cao, Y. Gao, W. Hu // Acta Mechanica Sinica. -2019. - Vol. - 35(4). - P. 894-911.
  • Kuang, Y. Evaluation and validation of equivalent properties of macro fibre composites for piezoelectric transducer modelling / Y. Kuang, M. Zhu // Composites Part B: Engineering. -2019. - Vol. 158. - P. 189-197.
  • Primary and secondary pyroelectric effects in macro-fiber composites / K.L. Acosta, S. Srivastava, W.K. Wilkie, D.J. Inman // Composites Part B: Engineering. - 2019. -Vol. 177. - Art. № 107275.
  • Baghaee, M. Modeling, analysis, and control of MFC sandwiched laminate panel flutter with general layups and arbitrary boundary conditions / M. Baghaee, A. Farrokhabadi, R.-A. Jafari-Talookolaei // Composite Structures. - 2019. -Vol. 223. - Art. № 110940.
  • Pan'kov, A.A. Numerical model of optical fiber piezoelectric feedback detector used for aviation composite constructions elements' geometry control / A.A. Pan'kov, P.V. Pisarev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. -Vol. 510. - Art. № 012029.
  • Active vibration damping of composite structures using a nonlinear fuzzy controller / H. Nasser, E.-H. Kiefer-Kamal, H. Hu, S. Belouettar, E. Barkanov // Composite Structures. - 2012. -Vol. 94. - P. 1385-1390.
  • Матвеенко, В.П. Использование электропроводящих композиционных материалов для дополнительного демпфирования смарт-систем на основе пьезоэлементов / В.П. Матвеенко, Д.А. Ошмарин, Н.А. Юрлова // Прикладная механика и техническая физика. - 2021. - Т. 62, № 5(369). - С. 45-57.
  • Bortnikov, A.D. Experimental study on active damping of compressor blade forced vibrations using piezoelements / A.D. Bortnikov // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2019. - Vol. 489. - Art. № 012035.
  • JAXA-ONERA-DLR cooperation: results from rotor optimization in hover / G. Wilke, J. Bailly, K. Kimura, Y. Tanabe // CEAS Aeronautical Journal - 2022. - Vol. 13. - P. 313-333.
  • Selection of the optimal airfoil for the small-sized unmanned helicopter main rotor blade / K.S. Vasil'chenko, S.V. Rez-nik, N.L. Aung, A.R. Gareev // Russian Aeronautics. - 2022. -Vol. 65, no. 3. - P. 524-532.
  • Structural and mechanism design of an active trailing-edge flap blade / J.H. Lee, B. Natarajan, W.J. Eun, S.R. Viswamurthy, J.-S. Park, T. Kim, S.J. Shin // Journal of Mechanical Science and Technology. - 2013. - Vol. 27. - P. 2605-2617.
  • Design, optimization, testing, verification, and validation of the wingtip active trailing edge / A. Wildschek, S. Storm, M. Herring, D. Drezga, V. Korian, O. Roock // Smart Intelligent Aircraft Structures (SARISTU). - 2015. - P. 219-255.
  • Haucke, F. Combined active separation control on the leading edge and on the trailing edge flap of a slatless high-lift configuration / F. Haucke, M. Bauer, W. Nitsche // New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics X. - 2016. - P. 215-225.
  • Experimental investigation of an active twist model rotor blade under centrifugal loads / P. Wierach, J. Riemenschneider, S. Opitz, F. Hoffmann // Wiedemann, M. Adaptive, tolerant and efficient composite structures / M Wiedemann, M. Sinapius. - 2012. - P. 391-407.
  • Optimized comparative analysis of an active twist for helicopter rotor blades with C- and D-spar designs / E. Barkanov, A. Kovalov, P. Wierach, J. Riemenschneider // Mechanics of Composite Materials. - 2018. - Vol. 54. - P. 553-566.
  • Hoffmann, F. Structural modeling and validation of an active twist model rotor blade / F. Hoffmann, R. Keimer, J. Riemenschneider // CEAS Aeronautical Journal. - 2016. - Vol. 7. -P. 43-55.
  • Barkanov, E. Optimal design of the active twist for helicopter rotor blades with C-spar / E. Barkanov, S. Gluhih, A. Ko-valov // Mechanics of Advanced Materials and Structures. -2008. - Vol. 15. - P. 325-334.
  • SmartMaterial [Электронный ресурс]. - URL: https://www.smart-material.com/media/Datasheets/SMARTChar-geInstructionsV1%202.pdf (дата обращения: 15.06.2023).
  • Numerical calculation of the SMART-construction torsion angle depending on the MFC PZT fibers polarization angle / A.N. Anoshkin, P.V. Pisarev, E. Barkanov, V.A. Ashihmin // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2188(1). -Art. №. 040006.
  • Numerical calculation of composite structures equipped with flexible piezoactuators stress-strain state / A.N. Anoshkin, P.V. Pisarev, S.R. Bayandin, E.G. Kungurtseva // AIP Conference Proceedings: 28TH Russian Conference on Mathematical Modelling in Natural Sciences. - 2020. - Vol. 2216(1). -Art. №. 040013.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp