بررسی رفتار استاتیکی و ارتعاشی پره هلیکوپتر با هسته ساخته شده از ساختارهای فرامواد

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1033-ISAV2024 (R2)
نویسندگان
1دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
2دانشگاه صنعتی اصفهان - دانشکده مهندسی مکانیک
3دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
فرامواد به دلیل خاصیت شکل‌پذیری در بال هواپیما، پره‌ی هلیکوپتر، پره‌ی توربین و غیره کاربرد بسیاری دارند. در پره‌های هلیکوپتر، کوپلینگ خمش-پیچش یک پدیده پیچیده و مهم در طراحی و عملکرد پره‌ها است. هنگامی‌که پره در حین چرخش خم می‌شود، همزمان دچار پیچش نیز می‌شود. کوپلینگ خمش-پیچش تاثیراتی بر روی عملکرد آیرودینامیکی، استحکام ساختاری و کنترل پرواز دارد. عوامل بسیاری بر کوپلینگ خمش-پیچش اثر می‌گذارند که از آن‌ها می‌توان به شکل هندسی پره از جمله نسبت ابعاد، ضخامت و انحنای آن اشاره کرد. در این پژوهش، سه مدل تیر ساخته شده از فرامواد به عنوان هسته پره هلیکوپتر در نظر گرفته شده است که هندسه سلول واحد تشکیل‌دهنده تیر‌ها برای دستیابی به خاصیت کوپلینگ خمش-پیچش مورد بررسی قرار گرفته شده است. تیر‌های متشکل از چندین سلول واحد فرامواد به کمک فناوری ساخت افزودنی ساخته و آزمایش‌های تجربی استاتیکی و دینامیکی روی آن‌ها انجام شده است. همچنین برای راستی‌آزمایی نتایج تجربی، شبیه‌سازی‌های اجزاء محدود در نرم‌افزار آباکوس انجام شده است. نتایج بدست آمده از آزمایش‌های استاتیکی نشان می‌دهد تیر با هندسه سلول واحد متشکل از یک مکعب ساده و سلول فرعی مورب نسبت به سایر هندسه‌های مورد بررسی در عین سادگی ساختار از خاصیت کوپلینگ خمش-پیچش بیشتری برخوردار است. همچنین افزایش ضریب منظری در هندسه سلول واحد تاثیر بسیاری بر بهبود خاصیت کوپلینگ خمش-پیچش دارد. تحلیل دینامیکی تیر‌ها نیز نشان می‌دهد که تیر‌ها با خاصیت کوپلینگ خمش-پیچش بیشتر که در آزمایش‌های استاتیکی بدست آمده است، دارای فرکانس‌های طبیعی بالاتر هستند و تعداد مود‌های پیچش در بازه فرکانسی مشخص بیشتر است که دلیلی بر اثبات خاصیت کوپلینگ خمش-پیچش در این تیر‌ها است.
کلیدواژه ها
 
Title
Investigating the static and vibration behavior of the helicopter blade with core made of metamaterial structures
Authors
Ali Bidram, Saeed Ziaei-Rad, Ali Loghmani
Abstract
Metamaterials are widely used in airplane wings, helicopter blades, turbine blades, etc. due to their shape morphing properties. In helicopter blades, bend-twist coupling is a complex and significant phenomenon in helicopter blade design and performance. As the blade bends during rotation, it also twists simultaneously. Bend-twist coupling has implications for aerodynamic performance, structural integrity, and flight control. Numerous factors contribute to bend-twist coupling, including the blade's geometric shape, such as its aspect ratio, thickness, and curvature. In this research, three beam models made of metamaterials are considered as the core of helicopter blades, and the geometry of the unit cell of the beams has been investigated to achieve the bend-twist coupling property. Beams consisting of several metamaterial unit cells were made using additive manufacturing technology and subjected to static and dynamic experimental tests. Furthermore, finite element simulations were performed in Abaqus software to validate the experimental results. The results obtained from the static tests indicate that the beam with a unit cell geometry consisting of a simple cube and a diagonal sub-cell exhibits a higher bend-twist coupling property compared to the other geometries investigated, despite its simple structure. Also, increasing the aspect ratio in the geometry of the unit cell has a great effect on improving the bend-twist coupling property. The dynamic analysis of the beams also shows that the beams with more bend-twist coupling properties obtained in static tests have higher natural frequencies and the number of torsion modes in a specific frequency range is more, which is a proof of the bend-twist coupling property in these beams.
Keywords
metamaterials, Morphing, Bend-twist coupling, Modal Analysis