جدول۶-۷: مشخصات بال طراحی شده ۱۲۰
جدول۶-۸: سرعت و فرکانس فلاتر بال دارای شکستگی ۱۲۲
جدول۶-۹: سرعت و فرکانس فلاتر نسبت به تغییرات λدر ارتفاع ۵۱۸۲ متر ۱۲۵
جدول۶-۱۰: سرعت و فرکانس فلاتر نسبت به تغییرات λدر ارتفاع ۱۰۰۵۸ متر ۱۲۵
فصل اول
مقدمه
۱-۱- پیشگفتار
مدلسازی و تحلیل سازههای مختلف هواپیماهای امروزی، از مهمترین مسائل صنعت هواپیمایی میباشد. در اصول طراحی کلاسیک و مدرن، طراحی بال از اولین اقدامات در طراحی یک هواپیما به شمار می آید و این قسمت از هواپیما را معمولا قبل از بدنه، دم و دیگر اجزای هواپیما طراحی می کنند. با توجه به نقش اساسی بال در تولید نیروی برآ طراحی و تحلیل بال یکی از اساسیترین موضوعاتی است که یک طراح هواپیما با آن درگیر است. با توجه به اینکه سازه بال تحت مانورهای مختلف پروازی در معرض بارهای مختلف قرار میگیرد، در اجزای مختلف این سازه تنشهای مختلفی ایجاد می شود. برای این تحلیل، نرم افزارهای مختلفی که عملکرد آنها بر مبنای روش اجزاء محدود است، موجود میباشد.
روش اجزای محدود، یک روش حل عددی است که برای بسیاری از مسایل مهندسی قابل استفاده است. مسایل پایدار، گذرا، خطی و غیرخطی در تحلیل تنش، انتقال حرارت، الکترومغناطیس و غیره میتوانند با بهره گرفتن از روش اجزای محدود استفاده شوند. بدون شک افتخار داشتن عنوان اولین کسی که این روش را برای حل مسایل مهندسی ابداع نمود، به کورانت[۱]میرسد. او در مقالهای که در سال ۱۹۴۳ منتشر شد، از درونیابی تکهای چندجملهایها، در مدلی که به نواحی مثلثی تقسیم شده بود برای حل مساله پیچش استفاده کرد. گام بعدی در ایجاد روش اجزای محدود را میتوان فعالیتهای شرکت بوئینگ در نظر گرفت. در سال ۱۹۵۰ شرکت بوئینگ برای مدلسازی بالهای هواپیما از المانهای مثلثی استفاده کرد. با این همه، هنگامی که در سال ۱۹۶۰ شخصی به نام کلاگ[۲]در مقالهای اصطلاح اجزای محدود را به کار برد، این روش عمومیت یافت. این مقاله کاربرد اجزای محدود ساده (میلههای مفصل شده و ورق مثلثی) برای تحلیل سازه هواپیما را نشان میدهد]۱و۲[. همراه با توسعه کامپیوترهای دیجیتالی با سرعتهای بالا، کاربرد روش اجزای محدود هم با نرخ فزایندهای پیشرفت نمود.
پدیده های آیروالاستیسیته استاتیکی و دینامیکی، مربوط به اندرکنش بین نیروهای سازهای و آیرودینامیکی است که منجر به ایجاد تغییر در توزیع بارهای آیرودینامیکی به عنوان تابعی از سرعت جریان می شود. پدیده های ناپایداری استاتیکی و دینامیکی، واگرایی و فلاتر، میتوانند باعث از هم گسیختگی سازههای هوایی شوند. بر اساس آنالیز پایداری خطی، نوسانات بالای آنچه که سرعت فلاتر نامیده می شود، میرا نمیشوند و دامنه آنها به صورت نامحدود افزایش مییابد و به فروپاشی دم یا بال منتهی می شود.
۱-۲- تاریخچه
از ابتدای ابداع هواپیما باتوجه به نقش اساسی بال در ساختمان هواپیما و تولید نیروی برا مطالعات و تحقیقات فراوانی بر روی بال انجام گرفته است. عموما این تحقیقات را میتوان در زمینه های آیروالاستیسیته و بررسی پدیده فلاتر و واگرایی بال، بهینه سازی، تحلیل تنش استاتیکی و دینامیکی بال و تاثیر مواد مواد مرکب بر سایر پارامترهای طراحی بال نام برد.
تا کنون در ارتباط با تحلیل بال هواپیما با توجه به بارگذاریهای دینامیکی مختلف کارهای گوناگونی انجام شده و کتابهای بسیاری نیز در این زمینه منتشر گردیده است[۳-۵]. ناسا تحقیقات گستردهای در این زمینه انجام داده است که میتوان به[۶] اشاره کرد. در آغاز دهه ۹۰ تحقیق بر روی اثرات بارگذاریهای دینامیکی مختلف بر روی بال به صورت گستردهتری پیگیری شد. در سال ۱۹۶۸ تحلیل تنش سازههای هوایی تحت نیروهای ضربهای بررسی شد و تاثیر این نیروها بر روی تغییر شکل سازه مشخص گردید[۷]. در سال ۱۹۹۰ لیبرسکیو و نثیر[۳] تحقیقی بر روی پاسخ پانلهای مواد مرکبی به انفجارهای صوتی انجام دادند[۸]. پاسخ دینامیکی سطوح هوایی با ساختار غیر خطی در سال ۱۹۹۲ بررسی شد[۹]. نحوه توزیع تنش بر روی بال مثلثی و رابطه بین زاویه عقبگرد و تنش در لبههای بال با روش فتوالاستیک توسط سوزوکی[۴] به انجام رسید[۱۰]. طراحی بالهای فلزی و مواد مرکب هواپیما جهت دستیابی به چگونگی تاثیر مواد مرکب در وزن سازه و میزان تنش توسط کندی[۵] و مارتین[۶] مورد بررسی قرار گرفته است[۱۱]. موچٌاندی[۷] و همکارانش با در نظر گرفتن آلیاژ آلومینیوم به عنوان جنس سازنده، تاثیر انواع سطح مقطع تیرک طولی و مخروطی شدن تیرک را با بهره گرفتن از روش اجزای محدود بر توزیع تنش، مورد بررسی قرار دادند[۱۲]. گائو[۸] و همکارانش عملکرد دو نوع متفاوت سوراخها و تقویت کننده های گوناگون در یک تیرک با سطح مقطع C شکل تحت بار برشی استاتیکی را بررسی کردند[۱۳]. چیت[۹] و همکارانش تحلیل استاتیکی و دینامیکی بال بدون شکستگی دارای تیرکهای طولی و تیغههای عرضی را با نرم افزار اجزای محدود انجام دادند. در این مطالعه، از المان پوسته برای پوسته و المان تیر برای تیرکهای طولی و تقویت کنندهها استفاده شده است. آنها با تغییر ضخامت پوسته و همچنین تغیر در سطح مقطع تیرکهای طولی، تغییرات تنش و تغییر مکان را در طول بال مشاهده کردند[۱۴]. هاراکار[۱۰] و همکارانش با قرار دادن بارهای مختلف روی بال معمولی، با بهره گرفتن از روش اجزای محدود تحلیل کمانشی و تنشی را انجام دادند. با بدست آوردن فاکتور کمانش کمتر از ۱ در پوسته بالایی نشان دادند که در این بال کمانش اتفاق نمیافتد[۱۵]. اوزوزترک[۱۱] تحلیل آیرودینامیکی، سازهای و آیروالاستیک یک هواپیمای بدون سرنشین را بررسی کرد. تحلیل سازهای بال تحت بارهای آیرودینامیکی حدی در دیاگرام V-n، با بهره گرفتن از مدل اجزای محدود انجام شده است. توزیع تنش فون مایسز برای بال و دم ساخته شده از مواد مرکب خاص را انجام داده و نتایج برای چند ماده از قبیل کربن اپوکسی و فایبرگلاس را ارائه دادند[۱۶]. همچنین تحقیقات زیادی در زمینه اصول بهینهسازی ساختارهای مواد مرکب بال انجام گرفته است که میتوان به[۱۷و۱۸] اشاره کرد. در سال ۲۰۱۱ ژانگ[۱۲] شبیه سازی عددی و طراحی بهینه یک بال به منظور یافتن بهترین مواد مرکب بال انجام داد[۱۹]. سازههای بال با در نظر گرفتن مواد ایزوتروپیک و مواد مرکب توسط نرم افزار ANSYS تحلیل شده و بهترین جهتگیری فیبرها در سازه مورد مطالعه قرار گرفته است[۲۰]. مطالعات قابل توجهی در زمینه بهینهسازی سازههای هوایی با محدودیتهای فلاتر، فرکانس طبیعی و تنشهای حالت دائمی انجام شده است[۲۱و۲۲]. سیوالد[۱۳] یک روش مدلسازی عددی برای پیکربندی بال دلخواه توسعه داد و یک ابزار شبیه سازی برای ارزیابی و پیش بینی جرم آنها به کار گرفت و جعبه بال با المان تیر غیرخطی مدل شده است[۲۳]. آنتیلا[۱۴] عمر خستگی یک هواپیمای DHC-6 را با یک روش تحلیلی مناسب با تمرکز روی بال که به عنوان جزیی از هواپیما که بیشتر تحت خستگی بحرانی قرار دارد تخمین زد[۲۴]. کمار[۱۵] و همکارانش، پیش بینی عمر خستگی برای رشد ترک در محل بیشینه تنش انجام دادند[۲۵].
در زمینه آیروالاستیسیته سازههای هوایی نیز تحقیقات زیادی انجام شده است. فلاتر سازههای هوایی مساله‌ای بسیار قدیمی است و کتابهای بسیاری در این زمینه چاپ شده است[۳-۵، ۲۶ و ۲۷]. اولین مطالعات بر روی مساله فلاتر در سال ۱۹۱۶ توسط لانچستر[۱۶] و همکارانش در جریان جنگ جهانی اول در مورد مسائل فلاتر بمب افکن هندی پاگ[۱۷] انجام گرفته است[۴]. یکی از اولین مطالعات انجام گرفته در مورد آیروالاستیسیته بال هواپیما مقالهای از گلند[۱۸] بود که سرعت فلاتر یک بال یک سر درگیر و یکنواخت را بدست آورد[۲۸]. در بسیاری از مقالات مطالعه رفتار آیروالاستیک یک بال یکنواخت و مستقیم تحت بارگذاری ناپایا ارائه شده است[۲۹]. هاسنر[۱۹] و استین[۲۰] فلاتر یک بال با زاویه عقبگرد را در رژیم جریانی مادون صوت بررسی کردند[۳۰]. پاتیل[۲۱] و هاجز[۲۲] رفتار غیرخطی یک تیر یک سر درگیر را مورد بررسی قرار دادند[۳۱]. گرن[۲۳] و لیبرسکیو فلاتر و واگرایی یک بال پیشرفته بازاویه عقبگرد را که جرمهای متمرکز در طول و نوک خود حمل می کند، تحت بارگذاری ناپایا بدست آورده و مورد بررسی قرار دادند[۳۲]. کوین[۲۴] و لیبرسکیو ناپایداری آیروالاستیک یک بال هواپیما را در جریان تراکم ناپذیر مورد بررسی قرار دادهاند. آنها بال را مانند تیر جدار نازک مواد مرکبی ناهمسانگرد مدل کرده و سرعت فلاتر را تعیین کردند[۳۳]. حدادپور و فیروزآبادی ناپایداری فلاتر بال هواپیما بدون اثر زاویه عقبگرد را در یک جریان مادون صوت تحت اثر نیروهای ناپایا و شبه پایا بررسی کرده اند[۳۴]. معادلات خطی دینامیکی برای بال انعطاف پذیر تحت مانور صعود با زاویه عقبگرد با اثر تغییر فرم برشی بال توسط فاضلزاده و همکارانش استخراج شده و سرعت فلاتر تحت بارگذاری ناپایا بررسی شده است[۳۵]. رشیدی و فاضلزاده تاثیر مدل بارگذاری شبه پایا و ناپایا و زاویه عقبگرد بر سرعت فلاتر بال هواپیما را مورد بررسی قرار دادند[۳۶]. فاضلزاده و همکارانش تاثیر مانور غلتشی بر ناپایداری استاتیکی و دینامیکی یک بال یک سر درگیر را بررسی کردند[۳۷]. مزیدی و همکارانش تاثیر موتور بر فلاتر بال هواپیما تحت مانور غلتشی را بررسی کردند[۳۸]. مزیدی و همکارانش تاثیر موتور با نیروی پیشران زمانمند بر پاسخ آیروالاستیک یک بال را بررسی کردند[۳۹]. پنگ[۲۵] و همکارش در سال ۲۰۱۲ با درنظر گرفتن بالک در انتهای بال هواپیمای مسافربری، تاثیر این بالک بر روی سرعت و فرکانس فلاتر را مورد مطالعه قرار دادند[۴۰]. بیبین[۲۶] و همکارانش در سال ۲۰۱۲ با مدلسازی بال بدون شکستگی متشکل از تیرکهای طولی و تیغههای عرضی، تحلیل تنش و فلاتر را برای این نوع بال در نرمافزار اجزای محدود انجام دادند[۴۱].
۱-۳- هدف پایان نامه
در طراحی هواپیما، تحلیل استاتیکی و دینامیکی و پیدا کردن نقاط بحرانی حاصل از بارهای مختلف استاتیکی و دینامیکی و تاثیر پارامترهای مختلف بر طراحی حایز اهمیت است. طی پروژه حاضر بال یک هواپیمای مسافربری با بهره گرفتن از نرم افزار CATIA مدلسازی شده و تحلیل استاتیکی و دینامیکی این مجموعه مورد بحث قرار میگیرد. تحلیل استاتیکی و دینامیکی در نرم افزار ABAQUS انجام خواهد شد. اثر پارامترهای طراحی نظیر پارامترهای فیزیکی و هندسی بال، بارگذاریهای مختلف، تاثیر مواد گوناگون بر استحکام و کاهش وزن سازه و در پایان مقادیر تنش و دیگر پارامترها شبیه سازی عددی خواهند شد و نتایج حاصل مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهند گرفت. در پایان تحلیل پدیده فلاتر بال صورت میگیرد. همچنین تاثیر پارامترهایی مانند زاویه عقبگرد و ارتفاع پروازی روی سرعت و فرکانس فلاتر مورد بحث قرار میگیرد.
۱-۴- محتویات پایان نامه
پایان نامه حاضر در هفت فصل تنظیم شده است، مقدمه و تاریخچه تحقیقات انجام شده در این فصل آورده شده است.
در فصل دوم ساختمان و اجزای سازنده بال هواپیمای مسافربری معرفی شده است.
در فصل سوم بارگذاری و همچنین بارهای وارد بر بال مطابق با استاندارد FAR 25 ارائه شده است.
در فصل چهارم روند تحلیل استاتیکی و دینامیکی در نرم افزار المان محدود و همچنین تحلیل عددی آیروالاستیک بال بیان شده است.
در فصل پنجم مدلسازی کامپیوتری بال تشریح شده است.
در فصل ششم به تحلیل و بررسی نتایج پرداخته می شود.
در فصل پایانی نیز به نتیجه گیری و ارائه پیشنهادهایی برای انجام فعالیتهای آتی، پرداخته شده است.
فصل دوم
ساختمان بال و مواد سازنده
۲-۱- مقدمه
بالها اجزای اصلی تامین کننده نیروی برآ هستند. بالهای هواپیما از لحاظ آیرودینامیکی طوری طراحی شده اند تا نیروی برآ مورد نیاز پرواز را تامین نمایند. از بال علاوه بر تولید نیروی برآ، برای حمل سوخت و نصب موتورها استفاده می شود. بالها باید نیروی برآی کافی به منظور حمل تمام وزن هواپیما را تولید کنند. هدف اصلی یک بال بهینه تولید نیروی برآ و کاهش نیروی پسا در حد امکان است. با عبور جریان هوا از یک بال با زاویه حمله مناسب، گرادیان فشار بوجود می آید. ناحیه کم فشار در سطح بالایی بال، در حالیکه ناحیه پر فشار در سطح زیرین بال ایجاد می شود. تفاوت در فشار دو سطح، نیروی برآی رو به بالا را تولید می کند. در هواپیماهای تجاری، جنگندهها و جتها، بال تنها به منظور تولید نیروی برآ در طی فازهای مختلف پروازی طراحی نمیشوند بلکه نقشها و وظایف دیگری نیز دارا میباشند. در هواپیماهای تجاری بالها به عنوان مخزن اصلی برای سوخت مورد نیاز پرواز استفاده میشوند. سوخت معمولا درون مخزنی که داخل جعبه بال[۲۷] قرار دارد، حمل می شود. مخازن تعبیه شده در بال مستقیما سوخت را به موتورها میرسانند. نصب این موتورها بر روی بال بارهای سازهای ایجاد می کند. در طول پرواز، بال در معرض نیروهای آیرودینامیکی، تندباد، نیروهای آیروالاستیک و سازهای قرار دارد. بنابراین بال باید از لحاظ آیرودینامیکی و سازهای به خوبی برای فراهم کردن کارایی بهینه در همه فازهای پروازی طراحی شود.
| شکل۲-۱: اجزای سازنده بال]۴۲[ |
۲-۲- پیکربندی بال
بر اساس نوع ماموریت و رژیمهای پروازی متفاوت مادون صوت، در حد صوت، مافوق صوت و ماوراء صوت بال دارای پیکربندی و پلن فرمهای[۲۸] متفاوتی است.
۲-۲-۱- انواع بال
شکلهای گوناگونی از بال با توجه به ماموریت هواپیما بر روی هواپیماها به کار میروند. انواع بالها را میتوان از نظر شکل و محل نصب در دو دسته کلی تقسیم بندی کرد.
بالها غالبا از نظر شکل شامل پیکربندیهای زیر هستند:
۱- بالهای مستطیل شکل: به بالهایی که اندازه طول وتر بال در تمام قسمت های بال یکسان است و شکل آنها به صورت مستطیل میباشد، گفته می شود. این نوع بال مخصوص هواپیماهای سبک و کم سرعت است و از نظر ساختمانی بسیار ساده و هزینه ساخت آن کمتر از بالهای دیگر است.
۲-بالهای مثلثی: در شرایطی که لبه حمله بالها عمود بر بدنه نباشد زاویهای با آن تشکیل میدهد که به آن زاویه عقبگرد[۲۹] بال میگویند. اگر زاویه عقبگرد بال حدود ۴۵ درجه و یا بیشتر باشد، آن را بال مثلثی مینامند.
