مدلسازی و تحلیل فلاتر یک بال جعبه‌ای سه بعدی با استفاده از مدل آیرودینامیک ناپایای واگنر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه دینامیک کنترل و ارتعاشات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 گروه دینامیک کنترل و ارتعاشات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

تاکنون مدلسازی و تحلیل آیروالاستیک بال جعبه‌ای یا به صورت دوبعدی انجام گرفته و یا با صرف زمان و هزینه زیاد در نرم‌افزارهای تخصصی صورت گرفته است. در این مقاله سعی شده تا با استفاده از یک روش نیمه تحلیلی، رفتار آیروالاستیک یک نمونه بال جعبه‌ای سه بعدی مدلسازی و تحلیل گردد. به منظور مدلسازی اثر بالچه از دو فنر طولی و پیچشی که انتهای آنها بر روی محور الاستیک بال‌ها قرار گرفته، استفاده شده است. استخراج معادلات حرکت و مدلسازی نیروهای آیرودینامیکی به ترتیب با استفاده از اصل هامیلتون و مدل ناپایای واگنر انجام شده است. جهت تبدیل معادلات حاکم دیفرانسیل پاره‌ای-انتگرالی به یک مجموعه معادله دیفرانسیل معمولی، از تکنیک‌های ریاضی و روش مودهای فرضی بهره برده شده است. اعتبارسنجی حل معادلات با مقایسه نتایج حل عددی و نتایج خروجی از نرم‌افزار نسترن انجام شده است. اثرات تغییر پارامترهای طراحی نظیر زاویه عقبگرد، میزان صلبیت بالچه و طول وتر بال‌ها بر فلاتر بال مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش همزمان زاویه عقبگرد در بال جلو و عقب باعث افزایش پایداری سیستم می‌شود. همچنین افزایش سفتی پیچشی بالچه موجب افزایش سرعت فلاتر می‌شود در حالی که افزایش سفتی طولی آن باعث کاهش سرعت فلاتر می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Modeling and Flutter Analysis of a Three Dimensional Box-Wing using Wagner Unsteady Aerodynamic Model

نویسندگان [English]

  • Amirhossein Ghasemikaram 1
  • Abbas Mazidi 1
  • S. Ahmad Fazelzadeh Haghighi 2
1 Mechanical Engineering Faculty, Yazd University, Yazd, Iran
2 Mechanical Engineering Faculty, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

In this paper, a three dimensional model of a box wing configuration is derived by a semi-analytical approach and the aeroelastic behavior is studied. So far, the flutter characteristics have been studied on the typical wing sections or via a whole lot more time and cost in the professional software. The winglet is modeled by two longitudinal and torsional springs and in order to simulate the effect of the winglet on the dynamic behavior, two ends of the springs are placed on the elastic axis of the sections. The governing equations are extracted via Hamilton's principle and in order to apply the aerodynamic forces, Wagner unsteady model is considered. To transform the linear partial integro-differential equations into a set of ordinary differential equations, mathematical techniques are employed. For the purpose of validation, the flutter values of the box wing are obtained by MSC NASTRAN and the proposed numerical procedure. The effects of the sweep angles and the winglet rigidity on the flutter are investigated. The results reveal that increasing the sweep angles and the chord ratio, enhances the flutter speed, remarkably. Furthermore, increasing the torsional rigidity of the winglet is more significant than the longitudinal rigidity on the flutter.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flutter
  • Box-wing
  • Wagner unsteady model

مراجع

[1] D. Dal Canto, A. Frediani, G.L. Ghiringhelli, M. Terraneo, The lifting system of a PrandtlPlane, Part 1: design and analysis of a light alloy structural solution, in:  Variational analysis and aerospace engineering: mathematical challenges for aerospace design, Springer, 2012, pp. 211-234.
[2] A. Frediani, V. Cipolla, E.J.V.A. Rizzo, A.E.M.C.f.A. Design, The PrandtlPlane configuration: overview on possible applications to civil aviation,  (2012) 179-210.
[3] R. Ajaj, M. Friswell, D. Smith, A.J.T.A.J. Isikveren, A conceptual wing-box weight estimation model for transport aircraft, 117(1191) (2013) 533-551.
[4] L. Demasi, R. Cavallaro, A.J.A.j. Márquez Razón, Postcritical analysis of PrandtlPlane joined-wing configurations, 51(1) (2013) 161-177.
[5] P. Jansen, R. Perez, Effect of Size and Mission Requirements on the Design Optimization of Non-Planar Aircraft Configurations, in:  13th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis Optimization Conference, 2010, pp. 9188.
[6] D.J.D.F.t.u.F. Schiktanz, Master Thesis, Hamburg, HAW Hamburg, Conceptual design of a medium range box wing aircraft,  (2011).
[7] M.P. Scardaoni, M. Montemurro, E.J.A.S. Panettieri, Technology, PrandtlPlane wing-box least-weight design: a multi-scale optimisation approach, 106 (2020) 106156.
[8] L. Di Palma, N. Paletta, M. Pecora, Aeroelastic design of a joined-wing UAV, 0148-7191, SAE Technical Paper, 2009.
[9] C.A. Eger, A. Ricciardi, R.A. Canfield, M. Patil, Design of a scaled flight test vehicle including linear aeroelastic effects, in:  54th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2013, pp. 1563.
[10] R. Bombardieri, R. Cavallaro, L. Demasi, A historical Perspective on the Aeroelasticity of Box Wings and Prandtl-Plane with New Findings, in, 57th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials …, 2016.
[11] M.H. Durham, R. Ricketts, Flutter of a joined-wing high altitude vehicle, in:  Aerospace Flutter And Dynamic Council Meeting, 1989.
[12] D.-H. Lee, Aeroelastic tailoring and structural optimization of joined-wing configurations, Purdue University, 2002.
[13] J.M. Van Aken, Alleviation of whirl-flutter on a joined-wing tilt-rotor aircraft configuration using active controls, in, American Helicopter Society, 1991.
[14] R. Cavallaro, R. Bombardieri, L. Demasi, A.J.J.o.F. Iannelli, Structures, Prandtlplane joined wing: Body freedom flutter, limit cycle oscillation and freeplay studies, 59 (2015) 57-84.
[15] S.A. Fazelzadeh, D. Scholz, A. Mazidi, M.I. Friswell, Flutter characteristics of typical wing sections of a box wing aircraft configuration,  (2018).
[16] D. Sacchetti, R. Bombardieri, J. Serafini, R. Cavallaro, G. Bernardini, ACTIVE FLUTTER SUPPRESSION FOR PRANDTL PLANE CONFIGURATION.
[17] PARSIFAL, Aeroelastic analysis of the baseline PrandtlPlane, CORDIS and INEA, 2020.
[18] R. Bombardieri, R. Cavallaro, R. Castellanos, F.J.a.p.a. Auricchio, Studies on Coupled Flight Dynamics and Aeroelasticity of a Prandtlplane Configuration,  (2021).
[19] S.A. Fazelzadeh, A.H. Ghasemi, A.J.I.J.o.A. Mazidi, Vibration, Aeroelastic analysis of unrestrained aircraft wing with external stores under roll maneuver, 21(3) (2016) 327-333.
[20] S. Shams, H. Haddadpour, M.S. Lahidjani, M. Kheiri, An analytical method in computational aeroelasticity based on Wagner function, in:  25th International Congress of the Aeronautical Science, Hamburg, Germany, 2006.
[21] R.C. Costen, Products of some generalized functions, National Aeronautics and Space Administration, 1967.
[22] S. Fazelzadeh, A. Mazidi, Nonlinear aeroelastic analysis of bending-torsion wings subjected to a transverse follower force,  (2011).
[23] G. Karpouzian, L.J.A.j. Librescu, Nonclassical effects on divergence and flutter of anisotropic swept aircraft wings, 34(4) (1996) 786-794.
[24] M. Goland, The flutter of a uniform cantilever wing,  (1945).
[25] Z. Qin, L.J.J.o.f. Librescu, structures, Aeroelastic instability of aircraft wings modelled as anisotropic composite thin-walled beams in incompressible flow, 18(1) (2003) 43-61.
[26] J.M. Housner, M. Stein, Flutter analysis of swept-wing subsonic aircraft with parameter studies of composite wings,  (1974).
[27] A. Mazidi, S. Fazelzadeh, P.J.J.o.A. Marzocca, Flutter of aircraft wings carrying a powered engine under roll maneuver, 48(3) (2011) 874-883.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 12
اسفند 1400
صفحه 5809-5830

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار