Aeroelastyczność - Aeroelasticity
Aeroelastyczność to dział fizyki i inżynierii badający interakcje między siłami bezwładności , sprężystości i aerodynamicznymi zachodzącymi, gdy ciało sprężyste jest wystawione na działanie przepływu płynu . Badanie aeroelastyczności można ogólnie podzielić na dwie dziedziny: aeroelastyczność statyczna zajmująca się statyczną lub ustaloną reakcją elastycznego ciała na przepływ płynu; oraz dynamiczna aeroelastyczność związana z dynamiczną (zazwyczaj wibracyjną ) reakcją ciała .
Samoloty są podatne na efekty aeroelastyczne, ponieważ muszą być lekkie i wytrzymywać duże obciążenia aerodynamiczne. Samoloty są zaprojektowane tak, aby uniknąć następujących problemów aeroelastycznych:
- rozbieżność, w której siły aerodynamiczne zwiększają kąt natarcia skrzydła, co dodatkowo zwiększa siłę;
- odwrócenie sterowania, gdzie aktywacja sterowania wytwarza przeciwny moment aerodynamiczny, który zmniejsza lub w skrajnych przypadkach odwraca skuteczność sterowania; oraz
- trzepotanie, czyli niepohamowane drgania, które mogą doprowadzić do zniszczenia samolotu.
Problemom z aeroelastycznością można zapobiec, dostosowując masę, sztywność lub aerodynamikę konstrukcji, które można określić i zweryfikować za pomocą obliczeń, testów drgań gruntu i prób trzepotania w locie . Trzepotanie powierzchni sterowych jest zwykle eliminowane dzięki starannemu rozmieszczeniu wag .
Synteza aeroelastyczności z termodynamiką nazywana jest aerotermosprężystością , a jej synteza z teorią sterowania nazywana jest aeroservoelastycznością .
Historia
Druga awaria prototypowego samolotu Samuela Langleya na Potomaku została przypisana efektom aeroelastycznym (w szczególności dywergencji skrętnej). Utwór wcześnie naukowe na ten temat był George Bryan „s Teoria stabilności sztywnej Samolot opublikowanej w 1906 Problemy z rozbieżności skrętnej nękane samolotu w pierwszej wojnie światowej i zostały rozwiązane w dużej mierze metodą prób i błędów i ad hoc usztywnienie skrzydło. Pierwszy odnotowany i udokumentowany przypadek trzepotania samolotu miał miejsce w przypadku bombowca Handley Page O/400 podczas lotu w 1916 roku, kiedy doznał gwałtownych drgań ogona, co spowodowało ekstremalne zniekształcenie tylnego kadłuba i poruszanie się wind asymetrycznie. Mimo że samolot wylądował bezpiecznie, w kolejnym śledztwie konsultowano się z FW Lanchesterem . Jednym z jego zaleceń było, aby lewa i prawa winda były sztywno połączone sztywnym szybem, co miało później stać się wymogiem projektowym. Ponadto Narodowe Laboratorium Fizyczne (NPL) zostało poproszone o teoretyczne zbadanie zjawiska, co następnie przeprowadzili Leonard Bairstow i Arthur Fage .
W 1926 roku Hans Reissner opublikował teorię dywergencji skrzydeł, prowadząc do znacznie dalszych badań teoretycznych na ten temat. Sam termin aeroelastyczność został ukuty przez Harolda Roxbee Coxa i Alfreda Pugsleya w Royal Aircraft Establishment (RAE) w Farnborough na początku lat 30. XX wieku.
W rozwoju inżynierii lotniczej na Caltech , Theodore von Kármán rozpoczął kurs „Elastyczność stosowanego do aeronautyki”. Po prowadzeniu kursu przez jeden semestr Kármán przekazał go Ernestowi Edwinowi Sechlerowi , który rozwinął aeroelastyczność podczas tego kursu i publikacji podręczników na ten temat.
W 1947 roku Arthur Roderick Collar zdefiniował aeroelastyczność jako „badanie wzajemnego oddziaływania zachodzącego w trójkącie sił bezwładności, sprężystości i aerodynamiki działających na elementy konstrukcyjne wystawione na działanie strumienia powietrza oraz wpływu tego badania na projekt”.
Aeroelastyczność statyczna
W samolocie mogą wystąpić dwa znaczące statyczne efekty aeroelastyczne. Dywergencja to zjawisko, w którym elastyczny skręt skrzydła nagle staje się teoretycznie nieskończony, co zwykle powoduje uszkodzenie skrzydła. Odwrócenie sterowania to zjawisko występujące tylko w skrzydłach z lotkami lub innymi powierzchniami sterowymi, w których te powierzchnie sterowe odwracają swoją zwykłą funkcjonalność (np. odwraca się kierunek przechyłu związany z danym momentem lotki).
Rozbieżność
Dywergencja występuje, gdy powierzchnia nośna odchyla się pod wpływem obciążenia aerodynamicznego w kierunku, który dodatkowo zwiększa siłę nośną w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego. Zwiększona siła nośna jeszcze bardziej odchyla konstrukcję, co ostatecznie doprowadza ją do punktu rozbieżności.
Równania rozbieżności prostej belki |
---|
Dywergencja może być rozumiana jako prosta własność równania różniczkowego (równ) rządzących ugięciem skrzydła . Na przykład, modelując skrzydło samolotu jako izotropową wiązkę Eulera-Bernoulliego , niesprzężone równanie ruchu skrętnego jest gdzie y to wymiar przęsła, θ to sprężysty skręt belki, GJ to sztywność na skręcanie belki, L to długość belki, a M ' to moment aerodynamiczny na jednostkę długości. Zgodnie z prostą teorią wymuszeń windy moment aerodynamiczny ma postać gdzie C jest współczynnikiem, U jest prędkością swobodnego strumienia płynu, a α 0 jest początkowym kątem natarcia. Daje to równanie różniczkowe zwyczajne postaci gdzie Warunki brzegowe dla belki wolnej od zaciśnięć (tj. skrzydła wspornikowego) to: co daje rozwiązanie Jak widać, dla λL = π /2 + nπ , przy dowolnej liczbie całkowitej n , tan( λL ) jest nieskończony. n = 0 odpowiada punktowi rozbieżności skrętnej. Dla danych parametrów strukturalnych będzie to odpowiadać pojedynczej wartości prędkości strugi swobodnego U . Jest to prędkość rozbieżności skrętnej. Należy zauważyć, że w przypadku niektórych specjalnych warunków brzegowych, które mogą być zastosowane w teście profilu aerodynamicznego w tunelu aerodynamicznym (np. ogranicznik skrętny umieszczony przed środkiem aerodynamicznym), możliwe jest całkowite wyeliminowanie zjawiska rozbieżności. |
Odwrócenie sterowania
Odwrócenie powierzchni sterowej to utrata (lub odwrócenie) oczekiwanej reakcji powierzchni sterowej z powodu odkształcenia głównej powierzchni nośnej. W przypadku prostych modeli (np. pojedynczej lotki na wiązce Eulera-Bernoulliego) prędkości zwrotne sterowania można wyprowadzić analitycznie jak dla rozbieżności skrętnej. Odwrócenie sterowania może być wykorzystane do uzyskania korzyści aerodynamicznych i stanowi część konstrukcji wirnika serwo-klapowego firmy Kaman .
Aeroelastyczność dynamiczna
Aeroelastyczność dynamiczna bada interakcje między siłami aerodynamicznymi, sprężystymi i bezwładnościowymi. Przykładami dynamicznych zjawisk aeroelastycznych są:
Trzepotanie
Flutter to dynamiczna niestabilność elastycznej struktury w przepływie płynu, spowodowana dodatnim sprzężeniem zwrotnym między ugięciem ciała a siłą wywieraną przez przepływ płynu. W układzie liniowym , „Punkt trzepotanie” jest punktem, w którym struktura ulega prostego ruch harmoniczny -ZERO sieci tłumienia -i więc dalsze zmniejszenie tłumienia netto spowoduje samowzbudzenia i ewentualnego uszkodzenia. „Tłumienie siatki” można rozumieć jako sumę naturalnego tłumienia dodatniego konstrukcji i tłumienia ujemnego siły aerodynamicznej. Flutter można podzielić na dwa typy: hard flutter , w którym tłumienie siatki spada bardzo gwałtownie, bardzo blisko punktu flutter; oraz miękkie trzepotanie , w którym tłumienie siatki stopniowo się zmniejsza.
W wodzie stosunek masy bezwładności skoku folii do bezwładności opisanego cylindra płynu jest generalnie zbyt niski, aby wystąpiło trzepotanie binarne, co pokazuje jednoznaczne rozwiązanie najprostszego wyznacznika stabilności skoku i podnoszenia.
Konstrukcje narażone na działanie sił aerodynamicznych — w tym skrzydła i profile aerodynamiczne, ale także kominy i mosty — są starannie projektowane zgodnie ze znanymi parametrami, aby uniknąć trzepotania. Tępe kształty, takie jak kominy, mogą wydzielać ciągły strumień wirów, znanych jako ulica wirów Kármána , które mogą wywoływać drgania strukturalne. Pasy są zwykle owijane wokół kominów, aby zapobiec tworzeniu się tych wirów.
W złożonych konstrukcjach, w których zarówno aerodynamika, jak i właściwości mechaniczne konstrukcji nie są w pełni zrozumiałe, trzepotanie można zdyskontować tylko poprzez szczegółowe testy. Nawet zmiana rozkładu masy samolotu lub sztywności jednego komponentu może wywołać drżenie pozornie niepowiązanego komponentu aerodynamicznego. W najłagodniejszym wydaniu może to wyglądać jak „brzęczenie” w konstrukcji samolotu, ale w najbardziej gwałtownym może rozwinąć się w niekontrolowany sposób z dużą prędkością i spowodować poważne uszkodzenie lub doprowadzić do zniszczenia samolotu, jak w przypadku Braniff Flight 542 , lub prototypy myśliwca VL Myrsky . Słynny oryginalny most Tacoma Narrows Bridge został zniszczony w wyniku aeroelastycznego trzepotania.
Aeroserwoelastyczność
W niektórych przypadkach wykazano, że automatyczne systemy sterowania pomagają zapobiegać lub ograniczać drgania strukturalne związane z trzepotaniem.
Trzepotanie wiru śmigła
Trzepotanie wirowe śmigła to szczególny przypadek trzepotania polegający na aerodynamice i bezwładności wirującego śmigła oraz sztywności konstrukcji nośnej gondoli . Może wystąpić niestabilność dynamiczna obejmująca stopnie swobody pochylenia i odchylenia śruby napędowej i podpór silnika, co prowadzi do niestabilnej precesji śruby napędowej. Awaria wsporników silnika spowodowała trzepotanie wirowe występujące na dwóch Lockheed L-188 Electra w 1959 roku podczas lotu Braniff 542 i ponownie w 1960 roku podczas lotu 710 Northwest Orient Airlines .
Aeroelastyczność transsoniczna
Przepływ jest wysoce nieliniowy w reżimie transsonicznym , zdominowanym przez ruchome fale uderzeniowe. Ma kluczowe znaczenie dla samolotów, które przelatują przez transoniczne liczby Macha. Rolę fal uderzeniowych po raz pierwszy przeanalizował Holt Ashley . Zjawisko, które wpływa na stabilność samolotu, znane jako „zapad transsoniczny”, w którym prędkość trzepotania może zbliżyć się do prędkości lotu, zostało zgłoszone w maju 1976 r. przez Farmera i Hansona z Langley Research Center .
Bufet
Buforowanie to niestabilność o wysokiej częstotliwości spowodowana separacją przepływu powietrza lub oscylacjami fali uderzeniowej od jednego obiektu uderzającego o drugi. Jest to spowodowane nagłym impulsem wzrostu obciążenia. Jest to losowa wymuszona wibracja. Generalnie wpływa na część ogonową konstrukcji samolotu z powodu przepływu powietrza za skrzydłem.
Metody wykrywania bufetów to:
- Wykres współczynnika ciśnienia
- Rozbieżność ciśnienia na krawędzi spływu
- Obliczanie separacji od krawędzi spływu na podstawie liczby Macha
- Rozbieżność z fluktuacją siły normalnej
Przewidywanie i leczenie
W latach 1950-1970 firma AGARD opracowała Podręcznik aeroelastyczności, który szczegółowo opisuje procesy stosowane w rozwiązywaniu i weryfikacji problemów aeroelastycznych wraz ze standardowymi przykładami, które można wykorzystać do testowania rozwiązań numerycznych.
Aeroelastyczność obejmuje nie tylko zewnętrzne obciążenia aerodynamiczne i sposób ich zmiany, ale także właściwości strukturalne, tłumiące i masowe samolotu. Prognozowanie polega na stworzeniu matematycznego modelu samolotu jako serii mas połączonych sprężynami i amortyzatorami, które są dostrojone tak, aby odzwierciedlały dynamiczne charakterystyki struktury samolotu. Model zawiera również szczegóły zastosowanych sił aerodynamicznych i ich zróżnicowania.
Model może służyć do przewidywania marginesu flutter i, jeśli to konieczne, testowania poprawek potencjalnych problemów. Małe, starannie dobrane zmiany w rozkładzie masy i lokalnej sztywności konstrukcyjnej mogą być bardzo skuteczne w rozwiązywaniu problemów aeroelastycznych.
Sposoby przewidywania trzepotania w struktur liniowych należą p-metody , na k-sposobu oraz sposób pk .
W przypadku systemów nieliniowych trzepotanie jest zwykle interpretowane jako oscylacja cyklu granicznego (LCO), a metody badania układów dynamicznych mogą być wykorzystywane do określenia prędkości, przy której wystąpi trzepotanie.
Głoska bezdźwięczna
Te filmy szczegółowo opisują dwufazowy program badawczy NASA - Air Force Active Aeroelastic Wing w celu zbadania potencjału aerodynamicznego skręcania elastycznych skrzydeł w celu poprawy manewrowości samolotów o wysokich osiągach przy prędkościach transsonicznych i naddźwiękowych , z tradycyjnymi powierzchniami sterowymi, takimi jak lotki i natarcia. klapki krawędziowe używane do wywołania skrętu.
Film poklatkowy z testu obciążenia skrzydła aktywnego aeroelastycznego (AAW), grudzień 2002 r.
Test w locie F/A-18A (obecnie X-53) Active Aeroelastic Wing (AAW), grudzień 2002 r.
Znaczące awarie aeroelastyczne
- Oryginalny most Tacoma Narrows Bridge został zniszczony w wyniku aeroelastycznego trzepotania.
- Trzepotanie wiru śmigła Lockheed L-188 Electra podczas lotu Braniff 542 .
- 1931 Katastrofa samolotu Transcontinental & Western Air Fokker F-10 .
- Trzepotanie ciała drona GAF Jindivik .
Zobacz też
Bibliografia
Dalsza lektura
- Bisplinghoff, RL, Ashley, H. i Halfman , H., Aeroelasticity . Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6 , 880 s.
- Dowell, EH, Nowoczesny kurs aeroelastyczności . ISBN 90-286-0057-4 .
- Fung, YC, Wprowadzenie do teorii aeroelastyczności . Dover, 1994, ISBN 978-0-486-67871-9 .
- Hodges, DH i Pierce, A., Wprowadzenie do dynamiki strukturalnej i aeroelastyczności , Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5 .
- Wright, JR i Cooper, JE, Wprowadzenie do aeroelastyczności i obciążeń samolotów , Wiley 2007, ISBN 978-0-470-85840-0 .
- Hoque, ME, "Aktywna kontrola trzepotania", LAP Lambert Academic Publishing , Niemcy, 2010, ISBN 978-3-8383-6851-1 .
- Kołnierz AR, „Pierwsze pięćdziesiąt lat aeroelastyczności”, Aerospace, tom. 5, nie. 2, s. 12-20, 1978.
- Garrick, IE i Reed WH, „Historyczny rozwój trzepotania samolotów”, Journal of Aircraft, tom. 18, s. 897–912, listopad 1981.
- Patrick R. Veillette (23 sierpnia 2018). „Bufet o niskiej prędkości: duża wysokość, słabość treningu transonicznego trwa” . Lotnictwo biznesowe i komercyjne . Sieć tygodnia lotniczego.