1.1 SCURT ISTORIC AL DEZVOLTĂRII ELICOPTERULUI Încă din antichitate și evul mediu, încercarea de desprindere de la pământ și zborul propriu zis a… [310833]
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
7
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
1.1 [anonimizat] a însemnat o mare încercare pentru omul de rând. Îns ă lipsa de tehnologie a împiedicat îndeplinirea acestui mare țel de a cuceri oceanul albastru numai pân ă la începutul secolului XX când dezvoltarea tehnologiilor a cunoscut un salt suficient pentru a fi realizabilă în practică ideea de bază a zborului uman: desprinderea de la sol în siguranță și cu mijloace proprii și continurea zborului în control complet asupra aparatului de zbor.
[anonimizat] – zborul p ăsărilor, insectelor, mamiferelor. Observând c ă [anonimizat].
[anonimizat], conceptul zborului planat în realizarea majorității evoluțiilor lor aeriene. Excepție face decolarea care se face în mod diferit de la o [anonimizat] „saltul” vertical al vrabiei pân ă la „rulajul” pe ap ă al gâ ștelor sălbatice.
[anonimizat], arătând o superioritate evident ă față de restul animalelor zburătoare. [anonimizat] a cunoaște în detaliu mecanismul de mișcare a aripilor pe trasee extrem de complicate cu o repetitivitate și sincronizare perfectă.
Băștinașii aborigeni din Australia au folosit încă din cele mai vechi timpuri o unealtă-armă, [anonimizat]. Acesta nu vrea sa fie nimic a ltceva decât un rotor asimetric în forma de L. [anonimizat] o mișcare în jurul centrului său de greutate combinată cu o mișcare de translație în planul propriu și care avea evoluția spectaculoasă de a-și sfâr și mișcarea chiar în dreptul celui care l-a aruncat, în cazul neatingerii unui obstacol sau de ce nu chiar a unei ținte/prade.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
8
[anonimizat] a [anonimizat] – care a avut inspira ția de a o monta vertical și a realiza astfel o „în șurubare” în aer care s ă permită deplasarea pe verticală a unei mașini construită de om. Însă problema de rezolvat mai rămânea aceea de realizare a unei surse suficient de ușoară și compactă pentru propulsarea elicei. Savanții din epoca modernă au propus diferite soluții:
M.V. Lomonosov (1793) în fața Academiei ruse un model de elicopter acționat de un mecanism de ceasornic cu greutăți; – Sir George Cayley (1796) din Anglia a construit o serie de modele de elicoptere acționate de resorturi; – W.H. Philips (Anglia, 1842) și Enrico Forlanini (Franta, 1878) au construit modele acționate de forța aburului; – Thomas Edison (SUA, 1880) a experimentat cu modele acționate
electric.
În 1907, dupa 7 ani de la succesul zborului primului avion al fraților Wright, se ridica în Franța și primul elicopter pilotat de romanul Paul Cornu, echipat cu un motor cu ardere internă de 24 CP. Totuși, conceptul zborului vertical rămâne în
umbră din cauza unor serii de probeme tehnice: sursa de putere, menținerea aparatului sub control, combaterea tendințelor continue de răsturnare și starea generală de zmucituri și vibrații a aparatului odată desprins de la pământ.
Fig 1.2. Autogirul C – 4 – primul autogir zburător
Fig 1.1. Primul elicopter – Paul Cornu
La puțin timp, 14 ani mai târziu, romanul George de Botezat, experimentează în SUA primul elicopter într-adevăr complet controlabil și având un zbor stabil, însă construcția complicată – 4 rotoare ce se mișcau simultan a făcut imposibilă producția de serie a acestuia.
contribuție majoră a avut-o spaniolul Juan de la Cierva care, pentru a echilibra forțele ce se nasc pe cele două jumătăți ale rotorului – cea care se deplasează în direcția zborului și cea care se deplasează în direcția contrară – a legat palele la butuc prin articulații, anulând astfel momentul
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
9
transmis acestuia. Autogirurile construite pe acest princpiu s-au bucurat de un deosebit succes.
Perioada anilor 1930 a cunoscut rezultate remarcabile prin construirea de elicoptere experimentale, rezultatele fiind obținute de: – Rene Brequet în Franța; – dr Heinrich Focke în Germania; – I. Bratuhin în U.R.S.S. Și totuși, cel care a schimbat imaginea elicopterului și a adus-o la cea pe care o cunoaștem și noi în ziua de azi – cu un rotor principal în centru și un rotor anticuplu în coadă – este savantul Igor Sikorsky din S.U.A. care în 1941 a reușit să zboare cu un prototip stabil, complet manevrabil și de o simplitate mecanică deosebită. În aceasta configurație
elicopterul a cunoscut o dezvoltare tehnică vertiginoasă și o mare răspândire în utilizare.
Nume române ști importante care au participat la dezvoltarea conceptului de zbor pe verticală, în afara celor amintiți mai sus, sunt: – 1910, Grigore Brișcu a fundamentat principiile generale ale elicopterului; – în 1919-1921, Traian Vuia construiește două prototipuri de elicopter; – în 1923, Stan Mateescu a construit și brevetat o aeronavă cu două elicii portante și o elice tractivă; – în 1930, Cristea Constantinescu a proiectat și construit machete funcționale pentru două elicoptere, rămând doar la stadiul experimental.
Integrarea industriei aeronautice în programul de dezvoltare a României moderne au pus bazele producției proprii de elicoptere, primele exemplare fiind livrate în 1971 și fiind construite după licența: elicopterul ușor IAR-316 „Alouette”. În prezent se mai construie ște și elicopterul de capacitate medie IAR-330 „Puma”, ambele având utiliz ări multiple – sanitare, agricole, transport, etc.
În prezent, industria aeronautică mondială parcurge o adevarată revoluție tehnologică privind concepția și proiectarea elicopterelor. Cercetările de laborator și experimentările pe prototipuri se materializează în aparate cu performanțe mult sporite și cu un registru de caracteristici tehnice neașteptate pân ă acum. Prin adoptarea palelor cu vârful în s ăgeată și a aripioarelor portante auxiliare s-a ajuns la extinderea cu mult a ecartului de viteză. Folosirea materialelor compozite din mase plastice armate cu fibre de înaltă rezistență în construcția palelor a eliminat aproape definitiv pericolul cedării la oboseală și dificultățile legate de limitarea resursei palelor.
În tabelul Tab 1.1 este prezentat un top 10 cele mai bune elicoptere din ultimii ani.
Tab 1.1 Top 10 elicoptere moderne
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
11
Fig 1.4. Viteza de croazieră Fig 1.5. Plafon
1.2 CONCEPTE MAJORE ÎN CONSTRUCȚIA ROTORULUI DE
ELICOPTER
Rotoarele se compun d in două mari tipuri și anume: – rotorul articu lat; – rotorul nearticulat.
Rotorul articulat este format din trei articulații care permit mișcarea palei:
În plan vert ical – articula ția de bătaie;
În planul ro torului – articula ția de baleiaj;
În jurul axe i longitudinale a palei – articula ția de pas.
Fig 1.6. Articulațiile unui rotor articulat
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologgică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
12
Rotorul nearticulat – e xistă un braț flexibil ce permite toate cele trei mișcări ale palei, deci
asigură cele trei grade de libertate necesare.
Apare o cuplare bătaie – baleiaj – pas,
ce poate deveni periculoasă
Utilizareea
lagărelor
Fig 1.7. Rotor nearticulat – tipuri
În tabelul Tab 1.2. su nt prezentate detalii despre cele două tipuri de rotoare și avantajele și dezavantajele pe care aceastea le prezintă.
Tab 1.2. Rotor articular/Rotor nearticulat: avantaje și dezavantaje
Tipuri de rotor
Articulat Nearticulat
Conține toate cele 3 ar ticulații: de bătaie, de baleiaj, de pas;
Avantaje: din punct de vedere al calculului de rezistentă relativ si mplu;
Dezavantaje:caracteristici nesatisfăcătoare de manevrabilitate; devin ușor instabile (generând fenomenul de rezonan ță);
Necesități de constru cție: excentricități în articulații, lagăre de construcție specială care preiau sarcinile centrifugale, amortizoare pentru prevenirea vibrațiilor excesive (se
Rotor „Triflexx”: nu con ține articulații convenționale, cele 3 mobilități sunt asigurate printr-o bara de elastomer ranforsată cu fibră de sticlă; articulațiile de bătaie și baleiaj nu există iar schimbarea pasului palei se face prin intermediul unui lagăr de pas;
Rotor cuplat elastic – foarte rigid – se reduce foarte mult deformația ce are loc anterior lagărului de pas și astfel se cuplează mobilitățile de bătaie și de
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
elimina deficiențele semnalate).
13
baleiaj (folosit la elicopterul MBB BP-
105 – R.F. Germania);
Rotor decuplat elastic – permite deformații elastice de încovoiere, diminuând eforturile de încovoiere la rădăcina palei (folosit la elicopterul Lynx
– Marea Britanie);
Avantaje: simplitatea atinsă prin eliminarea articulațiilor, amortizoarelor și a stopajelor de pală, reducerea în general a numărului de parti componente, micșorarea rezistenței la înaintare cât și a masei totale;
Dezavantaje: de proiectare, în domeniul vibrațiilor și stabilității aeroelastice.
1.3 PALE DE ELICOPTER
Palele de elicopter sunt caracterizate de profil (sau profilele din care este formată), forma în plan, torsionarea, forma capătului său.
1.3.1 Condiții de respectat în alegerea profilelor
Din punct de vedere al profilelor, pala trebuie să îndeplinească anumite cerințe:
Coeficient de portanță Czmax mare;
Numărul Mach critic cât mai mare (pentru mic șorarea pierderilor de putere datorate compresibilității), ceea ce constituie una din limitările pe pala avansantă;
Coeficientul de moment la portanța nulă, Cm0, să fie cât mai mic, sau nul;
Coeficient de rezistență la înaintare, Cx, la valori mari ale coeficientului de portanță, Cz, și viteze Mach mari;
Variația de coardă a centrului de presiune cât mai redusa.
Ca și o primă diferență dezvoltată a fost alungirea bordului de atac a profilelor clasice, Fig 1.8, care nu erau proiectate pentru a funcționa în condițiile extreme în care se situează palele de elicopter.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
14
Acest lucru a fost dezvoltat de către cercetătorii firmelor NPL și RAE din M area Britanie. Mai jos este prezentată această diferență, di ntre profilele NACA 0012, profil simetric fol osit la aripile avioanelor, și NACA 9615 folosit pentru pa ele de elicopter.
În mod natural a apărut necesitatea de a se concepe profile destinate special pentru palele elicopterelor. Sunt binecunos cute astfel profilele ONERA, caracterizate prin val ori ale coeficientului maxim de portanță și ale num ărului Mach critic. Ele sunt simbolizate prin seri a OA2xx (unde xx
reprezintă grosimea relativă). Ca și exemple: Fig 1.8. Alungirea pro filelor clasice [POS 99] OA207, OA209, OA212, avâ nd grosimile maxime relative de 7%, 9% și respecti v 12%.
1.3.2 Forma în plan a palei
Forma în plan
d ublu
drept unghiulară trapezoidală
trape zoidală
Fig 1.9. Forme în plan ale unei pale de elicopter
1.3.3 Torsionarea palei
Se cunoaște că din pun ct de vedere al eficacității sustentației, torsionarea palei e ste indicată să fie cât mai mare. Pe de altă parte o creștere a torsionării palei poate favoriza, la viteze mari, creșterea regimului de vibrații,
Fig 1.10. Ung hiurile de torsionare ale palei, de la vârf pân ă la capăt [DEL 03]
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
15
inclusiv creșterea nivelului de zgomot. Pentru a repartiza mai bine eforturile și a diminua momentul de încovoiere, palele sunt răsucite (torsionate în jurul axei lor longitudinale) de așa manieră încât s ă le facă să lucreze la incidente mai mici spre vâ rf, unde vitezele relative sunt mai ma i. Astfel, unghiul de pas, θ, se micșorează, în consecință, pe măsură ce ne apropiem de vâ rful pale i; acest fapt antrenează o diminuare progresivă a portanței și a rezistenței la înaintare.
O lege acceptată este legea lui Thibert, lege care a fost
adoptată de majoritatea constr uctorilor de elicoptere, și este pr ezentată în figura Fig 1.11.
Fig 1.11. Accentuarea torsio nării de la capăt pân ă la vâ rful palei
1.3.4 Forma capătulu i de pala
Tehnologia modernă a impus forme specifice ale capătului d e pala din considerente aerodinamice, și mai ales în ceea ce privește caracteristica de curgere a aerului în această zonă a palei. Forma de capăt a palei are un rol foarte important în ceea ce privește val oarea puterii de profil și a nivelului de zgomot al rotorul ui.
Cercetările de-a lungul timpului au revelat câteva recomand ări în cee a ce privește capătului palei și anume:
Finisarea capătului palei (considerat 8% din lungimea e i), adoptarea unei ușoare
cambrări a profilului pentru realizarea unui bun compromis pentru desprinderile pe pala reculantă și nu mărul Mach ridicat pe pala avansantă;
Accentuarea torsionării negative a extremității pentru atenua rea efectului interacțiunilor turbionare ami ntite;
Forma în plan în săgeată folosind diferite variante; în Fig 1.12 sunt prezentate câteva tipuri de forme de capăt ale palei.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOLUL 1. INTRODUCERE
16
Fig 1.12. – Cap ături de pala: 1) Baleiat rectangular; 2) Baleiat trapezoidal; 3) Baleiat doar pe bordul de atac; 4) și 5) coni c trapezoidal scurt și lung; 6) parabolic; 7) O NERA SPP8; 8) BERP RAE – Westland; 9) Sikorsky „Growth”.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
17
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
2.1 STUDIUL PALEI ELICOPTERULUI IAR 330 PUMA
2.1.1 IAR 330 Puma
IAR 330 PUMA este un elicopter de luptă produs de IAR sub o licență cumpărată de la firma franceză Aérospatiale; a fost una dintre puținele colaborări în plan militar dintre o țară NATO și una din blocul comunist, programul începând în iulie 1974. Au fost produse peste 163 de exemplare, aproximativ 57 fiind exportate în țări precum Pakistan, Coasta de Fildeș, Emiratele Arabe Unite, Sudan, Ecuador. Un număr redus dintre acestea erau dotate cu flotoare gonflabile, pentru operațiuni
maritime. Cotele de gabarit ale elicopterului IAR 330 Puma – Anexa 1.
Tab 2.1 Variantele construite a modelului IAR 330
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
18
standard.
Elicopter navalizat; un număr de 3 au fost livrate
IAR 330 Puma Naval
Forțelor Navale Române în martie 2009.
Varianta modernizată destinata Emiratelor Arabe
Saudite; un număr de 15 elicoptere IAR 330/SA
IAR 330 Puma SM
330 modernizate de IAR Brașov și un număr de
10 vor fi noi.
2.1.2 Studiul palei elicopterului IAR 330 Puma
Pentru a realiza studiul palei elicopterului IAR 330 Puma trebuie luat în vedere anumite aspecte și anume:
Caracteristicile globale ale elicopterului și caracteristicile rotorului acestuia;
Desenul de ansamblu al palei și evaluarea sa constructivă;
Concepția structurală.
2.1.2.1 Caracteristicile globale ale elicopterului și caracteristicile rotorului acestuia
Tab 2.2. Caracteristicile globale ale elicopterului și caracteristicile rotorului acestuia
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
19
2.1.2.2 Desenul de ansamblu a palei și evaluarea ei constructivă
Axa butucului rotorului, fiind axa de rotație, va fi considerată și punct de măsurare al palei. Astfel pala este construită după anumite cote de gabarit care arată dispunerea ei față de axa de rotație a rotorului, forma în plan, schimbările de profil, unghiul de torsionare și punctul de începere a torsionării. În Tab 2.2 sunt enuntate distanțele corespunzătoare palei. Desenul de ansamblu este reprezentat în Anexa 2.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
20
Tab 2.2. Distanțe corespunzătoare palei elicopterului IAR 330 Puma
2.1.2.3 Concepția structurală
În general o pală de elicopter trebuie să satisfacă urmatoarele principii generale de concepție:
Rezistența mecanică;
Precizie dimensională (în special al profilului);
Rezistența la umiditate și coroziune;
Echilibrare statică și dinamică;
Rigiditate în raport cu cele trei mișcări posibilie ale palei.
Prin construcția sa, pala compozită permite o repartiție exacta a eforturilor:
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
21
Efortul centrifugal este rep artizat lonjeronului;
Rigiditatea de bătaie este dată prin lonjeron și o parte din înveliș;
Rigiditatea de baleiaj este dată prin lonjeron și un element de întărire bi ne situat în bordul de fugă;
Rigiditatea torsională este dată doar prin înveliș, un singur bobinaj de fi bră de sticlă sau cheson de torsiune.
Din punct de vedere al structurii interne, pala se compune din lonjeron din fibra de sticlă, umplutură de tip structură fagure NIDA, înveliș compus din straturi de fibră de carbon plasată la ±45° și având grosimea de 0.46 mm, și strat uri de fibră de sticlă avâ nd grosimea de 0.13 mm. Blindajul bordului de atac este din oțel inoxidabil sa u titan în cazul palelor degivrate. Bordul de fu gă este din fibra de carbon. Fig 2.2
Fig 2.2. Secțiune pe coardă a palei – structura interio ară
Fig 2.3. Straturi de înveliș: fibră de sticlă – exterior, grosime 0.13 mm; straturi de fibră de carbon interior, grosime 0.46 mm ,dispuse la ±45°
Datorită acestei construcții, profilului conic și a corzii medii aerodinam ice mai mare decâ t la alte elicoptere, CMA=600 mm, pala elicopterului IAR 330 Puma prezintă urma toarele avantaje:
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
22
Portanță mai mare, ceea ce implica o greutate mai mare la decolare la aceeași putere a sistemului de propulsie;
Viteza de croazieră mai mare;
Calități de zbor îmbunătățite (nivel mai bun al vibrațiilor și al zgomotului);
Rezistență sporită la impact;
Absența coroziunii;
Durata de serviciu mai mare și mai puține operații de întreținere;
Posibilitatea degivrării rotorului.
Fig 2.3. Zona transversală a palei elicopterului IAR 330 Puma
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
23
În Fig 2.3. se prezintă p ala în lungul ei prezentând cele trei zone princi pale și elementele
componente ale palei.
2.1.3 Modelarea pale elicopterului IAR 330 Puma
Modelarea palei s-a realiz at pe baza datelor expuse mai sus și s-a putut pune în practică cu ajutorul software-ului CAD Dassault Systèmes Catia V5R19, modulele Generative S hape Design și Part Design.
Fig 2.4. Captură de ecran a software-ului CAD Dassault Systèmes Catia V5R19
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
24
Pentru generarea profilelor, NPL 9615 12%, NPL 9615 9%, NPL 9615 6%, cu coarda medie aerodinamică de 600 mm, s-a folosit programul Profili v2.16, având posibilitatea de a exporta un fi șier de tip .DAT și care înserat în Catia V5R19, ne generează în funcție de distanțele precizate mai sus, profilul palei. Generarea, Fig 2.5 și Fig 2.7, se face în trei etape și anume:
Etapa 1: alegerea profilului;
Etapa 2: alegerea corzii medii aerodinamice;
Etapa 3: exportarea în fișier forma .DAT și importarea în soft-ul CAD.
Fig 2.5. Generarea profilului necesar, NPL 9615 12% cu coarda medie aerodinamică aferentă de 600 mm
Fig 2.6. Profilul NPL 9615 12% generat
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
25
Fig 2.7. Reprezentarea profilelor în lungul palei și a torsionării în dreptul fiecărui profil
În Fig 2.7. este reprezentată suprafața exterioară a palei elicopterului IAR 330 Puma unde sunt vizibile chiar și profilele utilizate și unghiul de torsionare a fiecarui profi l. Câ nd spunem unghi de torsionare a profilului ne referim la unghiul de așezare a acestuia față de profilul așezat la 70% din lungimea palei, profil care este considerat că are unghi de torsionare de 0°, deoarece în centrul de presiune aflat la 70% din lungimea palei toate forțele se concentrează într- o rezultanta R.
Unghiurile de torsionare a palei astfel adoptate conform legii de torsionare sunt:
Profil NPL 9615 1 2%, la 17% din lungimea palei – Γ = 5⁰
Profil NPL 9615 9 %, la 70% din lungimea palei – Γ = 0⁰
Profil NPL 9615 6 %, la 90% din lungimea palei – Γ = -1⁰
Profil NPL 9615 6 %, la capătul de pala – Γ = – 3⁰ 37’
Performanțele profilul ui sunt reprezentate în figurile Fig 2.8 – diagrama variației coeficientului de portanță în funcție de ungh iul de incidență α, și Fig 2.9 – diagrama corelației dintre coeficientul de portanță și coeficientul de rez istență la înaintare. Testele au fost făcute p entru o densitate de 1.225 kg/m3, un număr Reynolds Re=2·106 și o viteză Ma = 0.4, care este egal cu v = 490 km/h. Din Fig 2.8 se observă că profilul atinge po rtanța maximă la un unghi de incidență α = 1 2⁰, coeficientul de portanță fiind egal cu Cl = 1.25.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
26
Fig 2.8. Coeficient de port anță – unghi de
incidență
Fig 2.9. Coeficient de portanță – coeficient de rezistență la înaintare
Pentru modelarea stru cturii interioare a palei s-a considerat ca părț importante pentru testele viitoare lonjeronul, structura N IDA, întăritura pe bordul de fugă care înspre baza palei este considerată ca și prindere, moltoprenul di n zona prinderii palei și moltoprenul din zona bucșelor. Fig 2.8
Fig 2.10. Structura interi oară a palei: lonjeron, NIDA, întăritura bord de fugă, moltopren
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
27
2.1.4 Generalități ale materialelor compozite ale structurii interioare a palei
2.1.4.1 Fibra de carbon
Fibra de carbon a apărut în 1957 când, pentru a îmbun ătății pânza de bumbac și de mătase care erau singurele disponibile pentru fabricarea ajutajelor pentru rachete, Barneby-Cheney și National Carbon au produs o cantitate mică de fibre. În 1961, A. Shindo, de la Japanese Governement Industrial Research
Institute, Osaka a produs fibre de carbon din fibre poliacronitrilice (PAN). În 1967, Rolls Royce, în Anglia, a
anunțat proiectul utilizății fibrelor de carbon la componentele motorului cu reacție.
Astăzi, fibra de carbon este fibra domninată în industria materialelor compozite avansate. În ultimile două decenii, proprietățile fibrelor de carbon au crescut spectaculos ca rezultat al cererii de materiale cât mai rezistente și cât mai u șoare, mai ales din partea industriei aerospațiale. Ca și raport rezistență/greutate, fibra de carbon reprezintă cel mai bun material ce poate fi produs la scară industrială în acest moment.
Capacitatea mondială de producție înregistrează o continuă creștere de la apariția materialului pân ă în prezent, un salt spectaculos fiind înregistrat odată cu demararea proiectului Boeing 787 Dreamliner.
Fig 2.12. Utilizarea fibrelor de carbon de-a lungul anilor
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
28
Structura Fibrei de Carbon
Ca și grafitul, fibra de carbon are la bază o structură atomică plană cu legături foarte puternice între atomii de carbon, covalente. În cazul grafitului, planurile sunt paralele, legăturile dintre ele fiind de tip Van der Walls ce pot fi ușor rupte. În locul straturilor plane de atomi din carbon, care se găsesc în grafit, fibra de carbon este formată din panglici de atomi de carbon,
spiralate, aliniate paralel cu axa fibrei.
Fig 2.13. Structura fibrei de carbon
Producerea Fibrei de Carbon
Pentru obținerea fibrei de carbon, se folosesc o varietate mare de materiale, numite precursoare. Acestea sunt filate în filamente subțiri care sunt apoi convertite în fibra de carbon în 4 etape:
stabilizarea (oxidarea);
carbonizare;
grafitizare;
tratamentul suprafeției.
2.14. Etapele de producție a fibrelor de carbon
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
29
Fibrele continue sunt apoi bobinate și comercializate pentru țesere sau pentru alte procedee de obținere a structurilor din fibra de carbon (filament winding, pultrusion). Astăzi, materialul precursor predominant în fabricarea fibrelor de carbon este poliacrilonitrilul (PAN). Fibra de carbon astfel obținută are un diametru de 5-10 µm.
Clasificarea Fibrelor de Carbon
În funcție de proprietățile mecanice ale fibrelor de carbon, acestea pot fi clasificate în:
Fibre de Carbon High Modulus (HM sau Tipul I) – fib re cu modul de elasticitate mare;
Fibre de Carbon High Strength (HS sau Tipul II) – f ibre cu rezistență la tracțiune ridicată;
Fibre de Carbon Intermediate Modulus (IM sau tipul III).
Fig 2.15. Clasificarea fibrelor de carbon
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
30
Fibra de carbon este folosită la realizarea întăriturii bordului de fugă al aripii dar și a celor două
straturi de înveliș a palei dispuse la ±45⁰, având o grosime total de 0.46 mm.
2.1.4.2 Fibra de sticlă
Fibra de sticlă este o sticlă care se prezintă sub formă
la substanțe chimice agresive. Fibrele de sticlă în amestec cu alte substanțe plastice măresc elasticitatea și rezistența mecanică a acestor materiale.
Iscusința suflătorilor în atelierele de fabricare a sticlei din Turingia. Germania, era deja cunoscută prin secolul al XVIII-lea, prin producerea fibrelor subțiri de sticlă supranumite „p ărul îngerilor”. Pe atunci acesta era folosit numai cu s cop decorativ. Proprietățile fibrelor de sticlă și tehnologia de producere a lor fiind descoperită abia prin anul 1896 de Hermann Schuller la fabrica de sticlă din Haselbach; acolo au fost produse prima oară pe scară industrială. Procedeul de obținere a fibrelor de sticlă a fost patentat prin anii 1930.
Din rășini poliesterice armate cu fibră de sticlă se obțin o serie întreagă de bunuri: piscine, căzi, butoaie, chiuvete, blaturi de bucătărie, bărci și catarge pentru bărci, hidrobiciclete, elemente de caroserie și rezervoare de carburant pentru autovehicule, fuselaje de planoare, antene parabolice.
Alte utilizări în construcții: vată de sticlă (ca izolator termic) plasă cu fibră de sticlă (ca element de fixare a izolațiilor termice exterioare din polistiren expandat), tapet din țesătură de fibră de sticlă (pentru hoteluri și spitale, unde legea impune spălarea frecventă a pereților).
Fibrele de sticlă sunt folosite la realizarea
Fig 2.17. Etapele elaborării fibrei de sticlă
lonjeronului elicopterului, ele fiind strânse sub f orma de roving și la realizarea învelișului exterior al palei, cu rol de protecție. Procedeul de obținere acestor fibre de sticlă este prezentată în Fig 2.15
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
31
Tab 2.4. Proprietățile de material a fibrei de sticlă tip “S”
2.1.4.3 Structura NIDA
Structura NIDA face parte din ceea ce
numim structuri de tip sandwish, structuri
nedemontabile care au ca principale elemente o inimă care o reprezintă chiar această structură fagure și fețe (înveliș). Aceste structuri de tip sandwish sunt realizate prin
lipire.
Avantajele structurilor de tip sandwish
față de structurile sudate/nituite:
Fig. 2.18. Structura tip sandwich
Câ știg substanțial de masă;
Diminuarea numărului de piese din ansamblu;
Se pot îmbina materiale diferite;
Rezistența la oboseală mai bună, deoarece au fost eliminați concentratorii de eforturi: găuri în cazul nituirii sau modificări ale structurii cristaline în cazul sudării;
Căștig în timpul de fabricație prin reducerea numărului de muncitori;
Utilaje simple comparativ cu nituirea;
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
32
Starea suprafețelor impecabila (nu se produc deformări locale ca în cazul nituirii);
Bună izolare termică și fonică.
Tab 2.5. Comparație structura sandwich – foaie simpla de metal
Tipuri de structuri fagure
Forma celulelor hexagonală – este cea mai comun ă structură fagure și se fabrică și din materiale metalice, și nemetalice Fig 2.17a;
OX–Core – este un tip de structur ă fagure care este supraexpandată pe direcția W, are proprietăți mai ridicate în cazul forfecării pe direcția W, dar mai slabe pe direcția L, comparând cu structura fagure hexagonală Fig 2.17b;
Structura fagure hexagonală ranforsată – între celule sunt înserate folii de metal în plu s pentru o ranforsare;
Flex–Core – ofer ă formabilitate bună, reduce curbura anticlastică și elimină buckling-ul pereților învelitori; realizat din aluminiu, NOMEX, straturi de fibră de sticlă Fig 2.17c;
Double – Flex – este o structur ă fagure de tip Flex-Core cu o formă a celulelor sub formă de stea ce ofera o formabilitate foarte bună dar și rezistență la compresiune foarte mare Fig 2.17d;
Tube-Core – structura fagure sub form ă de tub pentru zonele în care structura fagure clasică nu asigură condițiile impuse Fig 2.17e.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
33
Fig 2.19. Tipuri de structuri fagure: a – hexagonal a; b – OX Core; c – Flex Core; d – Double Flex; e – Tube Core.
Materiale utilizate pentru structura fagure:
Hârtie;
Materiale termoplastice (poliuretan, polipropilenă);
Aliaje de aluminiu (2024, 5052, 5056, AG3, AG5);
Oțel;
Aliaje de titan (TA3V2.5, TU2, TA6V4);
Superaliaje pe bază de nichel (Inconel, Waspaloy, Rene);
Superaliaje pe bază de cobalt;
Fibră de sticlă;
Fibră de carbon;
Fibre aramide (NOMEX, KOREX, KEVLAR);
Ceramice.
În tabelul 2.6 sunt prezentate proprietățile unei structuri fagure realizată din fibră aramidă de tip Korex și va fi tratată această structură deoarece va fi folosită în testele din capitolele următoare.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
34
Tab 2.6. Proprietățile de material a diferitelor structuri fagure realizate din KOREX
2.1.4.4 Moltoprenul
Moltoprenul este un material poliuretanic, o spumă poliuretanică; este un material anisotrop,
fiind mai rezistent pe direcția în care spuma se umflă. Într-o structură fagure, acesta este folosit pe post
de nucleu, adăugând dou ă fețe de rășină ranforsată care sunt foarte bine prinse de spuma pentru a obține
o rigiditate mare. Această structură se comportă ca un beam în forma de „I”.
Fig 2.20. Structura sandvich cu inima de spumă, echivalentul unui beam de tip “I”
Datorită ușurinței de preparare, inima din spumă poliuretanică poate lua orice forma:
paralelipipedică pentru majoritatea panourilor tip sandwich, sau diferite forme pentru bărci sau protecții pentru mașini. Acest tip de structură sandwich, în care inima este din spumă poliuretanică are un raport rigiditate/masă superioară cu proprietăți excelente în ce constă izolația termică și fonică.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
35
Spumele pot fi flexibile și rigide, în funcție de locul unde sunt aplicate, cu celule deschise sau
închise, ranforsate sau nu. Proprietățile lor depind în principal de următorii factori:
Natura chimică a polimerului;
Procesul de fabricație;
Densitatea;
Morfologia celulelor: deschise sau închise, diametrul, grosimea peretelui, etc.
Spumele pot fi împărțite în patru mari categorii:
Spume pentru uz general: PVC, poliuretanice, PS;
Spume pentru aplicații tehnice: PE, PP, metacrilimide;
Spume speciale: PEI, PSU;
Spume sintetice.
În aviație, cele mai utilizate spume sunt cele de tip polimetacrilimidele, PEI si PESU, care vor fi explicate în următoarele rânduri și exemplificate proprietățile fiecărora.
Spuma polimetacrilimidă – este o spum ă rigidă cu celulele închise, dezvoltată de Röhm Company din Hüls s ă fie folosită ca inimă în structurile sandwich ușoare, în special pentru aplicațiile de transport.
Proprietăți:
intervalul de densități: 30-300 kg/m3;
proprietăți mecanice excelente și o înaltă stabilitate termică;
rezistență bună la solvenții de fabricație a compozitelor;
conductivitate termică mică;
proprietăți de amortizare bună la impact;
concentrație de oxigen mică, care limitează rezistența la foc;
nivel de absorbție a razelor „X” mic ă.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
36
Utilizare:
aeronautică: părți din Airbus, ATR, Eurocopter, Dassault, McDouglas Donnel;
părți de caroserie mașini: Matra, Volvo;
medicale: tabele de radiografii (datorită nivelului de absorbție a razelor „X” mic);
naval: bărci sportive, iahturi, bărci cu motor de curse.
Tab 2.7. Proprietăți ale diferitelor variante de spumă polimetacrimlimida
Spuma de tip PEI – numit ă și „Airex R82”, dezolvatat ă de 3A Composites Core Materials Proprietăți:
Densitate mică;
Celulele sunt închise;
Rezistență la impact mare;
Temperaturi de serviciu (utilizare) între -194⁰C și 180⁰C;
Rezistență la foc mare;
Comportament termic foarte bun;
Nivel de absorbție al apei mic;
Proprietăți dielectrice atractive.
Utilizare:
Aeronautică: echipamente pentru avioane, radomuri și sistemele de comunicatii;
Automotiv și transport: structurile căilor ferate și în general pentru vehicule;
Industrie: structuri unde se ating temperaturi mari și aplicații criogenice.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
Spuma de tip PESU – numit ă și „Airex R80.90”, dezvoltat ă de 3A Composites Core Materials
Proprietăți:
Densitate mică;
Rezistență bună la foc;
Comportament termic foarte bun;
Transparență la frecvențe radar.
Utilizare:
Aeronautică și aerospațială;
Transmisii și telecomunicații.
Tab 2.8. Proprietățile spumei de tip PESU
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
38
2.2 STUDIUL PALEI NECONVENȚIONALE
2.2.1 Introducere
Pala neconvențională aleasă presupune o pală care la capătul ei are o formă asemenea unei aripi de rândunic ă, fapt ce ar duce la crearea unui surplus de portanță, micșorarea vârtejurilor și chiar dispariția aparației lor în anumite zone ale palei, dar cel mai important faptul că nivelul de zgomot scade cu circa +4 db, adică mai mult de jumătate din nivelul de zgomot al unei pale obișnuite. Scăderea nivelului de zgomot a fost demonstrat de către firma Eurocopter pe o pală asemănătoare, testată în tunelele aerodinamice și analizate cu senzori dispuși pe pală. Aceasta încă este în testări și se încearcă implementarea pe elicopterele produse de către firma Eurocopter.
Modul prin care nivelul de zgomot scade atât de mu lt este realizat prin analiza interacțiunii pală –dâr ă de vârtejuri, interac țiune puternică care în urma îndoirii nu se va extinde pe toată lungimea palei ca în cazul palei clasice, ci doar pe partea îndoită exterioară.
Fig 2.21. BVI pală clasică
Fig 2.22. BVI pală Blue Edge
Pe baza palei construite și testate de către compania Eurocopter,
s-a
modelat
pala
neconvențioanală și apoi analizată din punct de vedere aerodinamic și structural.
Pentru a trece în revistă toate detaliile legate de pala neconvențională aleasă, se vor trata pe subcapitole următoarele:
Profile utilizate;
Forma în plan;
Torsionarea palei;
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
39
Forma capătului de pa la;
Structura interioară.
Pala neconvențională a fost realizată structural asemenea palei elic opterului IAR 330 Puma, utilizând acelea și profile, acee ași formă a capătului de pala – tip somon – și aceeași structură interioară, singurele diferențe fiind legat e de forma în plan și torsionarea palei.
2.2.2 Profile utilizate
Profilele utilizate în vederea construcției și analizei au fost preluate d e la pala elicopterului IAR 330 Puma: NPL 9615 12%, N PL 9615 9%, NPL 6915 6% și coarda medie erodinamică egală cu 600
Astfel valoarea coeficienților aerodinamici va fi aceeași. (Fig 2.23. si Fig 2.24.) Distanțele profilelor fa ță de axa rotorului sunt:
Axa rotor – î nceperea profilului NPL 9615 12% – 1890 mm
Axa rotor – î nceperea profilului NPL 9615 9% – 4840 mm
Axa rotor – începerea profilului NPL 9615 6% – 6190 mm
Fig 2.23. Distanțele profilelor față de axa rotorul ui
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
40
Fig 2 .24. Profilele utilizate la pala neconvenționa lă
Diagramele polarelor coeficient de portanță – unghi de inciden ță Cl- α, coeficent de rezistență la înaintare – unghi de incidență Cd-α și coeficient de portanță – coeficient de rezistență la înaintare Cl-Cd sunt prezentate în Fig 2.25.
a. b.
c.
Fig 2.25. Diagramele polarelor: a. Cl – α; b. Cl – Cd; C d – α
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
41
2.2.3 Forma în plan
Forma în plan a fost sc himbată de la forma palei clasice și anume dre aptă la o mică îndoire dublă a capătului de pală, ajungând la forma ca o arip ă de rândunic ă. Această d ublă îndoire a palei are o lungime totală de 2700 mm. Primul tronson de îndoire are o lungime de 13 50 mm, unghiul de îndoire fiind de δ=12.595⁰, măsurat față de axa longitudinală a palei. Al doilea trons on de îndoire are o lungime de 1350 mm, unghiul de îndo ire față de axa orizontală fiind de δ= -29⁰. Unghiul dintre cele două tronsoane are o valoare de ζ =138⁰. Valorile lungimilor și unghiurilor de îndoire dintre cele două tronsoane au fost alese constr uctiv.
Fig 2.26. For ma în plan a palei neconvenționale. Zona capătului
2.2.4 Forma capătulu i de pala
Forma capătului de pala este tip somon. Este cea mai utilizată metodă de a închide pala la capăt și de a asigura o aerodinamicitate câ t mai mare a acesteia, micșorând vârtejurile, în compara ție cu capătul de pală tip Hoerner. Ca pătul de pală are și rolul de acoperire a greutăților de echilibrare a palei.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnolog ică și Management Industrial
CAPITOL UL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPT ER
a.
42
b.
Fig 2.27. Forma cap ătului de pală – tip somon; a – vedere render; b – vedere catia
2.2.5 Torsionarea palei
Torsionarea palei s-a re alizat pe baza legii lui Thibert. Fiecare profil în parte a fost înclinat cu un anumit unghi astfel încât tors i onarea palei sa fie una liniară și mai accentua tă către vâ rf.
Unghiurile de torsionare alese:
Baza palei – profil NPL 9615 12%, unghi de torsionare Γ =0⁰; considerăm faptul ca pala se va monta cu unghi de calaj în prinderile rotorului;
La distanța de 4100 mm față de bază palei, la începerea p rofilului NPL 9615 9% și a îndoirii palei în sensul trigonometric, unghiul de torsi onare ajunge la o valoare Γ=2⁰40’;
La distanța de 5450 mm față de baza palei, la începerea p rofilului NPL 9615 6% și a îndoirii în sensul opus trigonometric, unghiul de torsi onare ajunge la o valoare Γ=4⁰52’;
Pân ă la capătul de pală, unghiul de torsionare crește exp onențial pân ă la o valoare Γ=8⁰37’.
Se amintește faptul că t orsionare palei se face în sens negativ. Pe baza unghiurilor de torsionare
se observă că, pentru ca în cen trul de presiune al corzii medii aerodinamice a flat la distanța de 70% din
lungim a palei, rezultanta forțelor
să fie m aximă, în teste pala va fi
calată l a un unghi θ=3⁰, pentru ca
la 70% din lungimea palei să
avem u nghiul de torsionare Γ=0⁰.
Fig 2.28. Unghiurile de torsionare a palei. Vedere de sus
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 2. STUDIUL PALELOR DE ELICOPTER
43
2.2.6 Structura interioară a palei neconvenționale
Structura interioară a palei neconvenționale a fost adoptată după structura interioară a palei elicopterului IAR 330 Puma:
Lonjeron din fibră de sticlă sub forma de roving;
Întăritură a bordului de fugă, realizat din fibra de carbon;
Structura fagure realizată din material tip KOREX;
Moltopren tip spumă polimetacrilimidă.
Fig 2.29. Structura interioară a palei neconvenționale
Fig 2.30. Structura interioară a palei neconvenționale
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
44
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
3.1 INTRODUCERE IN CFD
Dinamica computațională a fluidului, abreviată mai simplu CFD, reprezintă ramura domeniului mecanica fluidelor, ce folosește metode numerice și algoritmi numerici pentru a rezolva și analiza probleme ce implică curgerea fluidelor.
Calculatoarele sunt cele care fac calculele necesare simulării interacțiunii fluidelor, în care includem lichidele și gazele, cu suprafețe solide definite ca și condiții la limită. Dezvoltarea în timp a sistemelor cumputaționale a dus la creșterea acurateții și vitezei simulărilor complexe precum curgeri transonice sau turbulente. Toate rezultatele raportate din aceste teste CFD sunt apoi confirmate prin experimente, întâi folosind tunele aerodinamice și în cele din urmă validate prin teste de scară 1:1, ex: teste de zbor.
Analiza CFD a celor două pale se va realiza în software-ul Ansys 14.5 (Fig 3.1). Această analiză este asemănătoare analizei cu element finit – Finit Element Ana lysis FEA, diferența dintre cele două fiind că în cazul analizei CFD nu este discretizată pala și structura acesteia ca în cazul FEA, ci fluidul considerat ca o parcurge.
Fig 3.1. Interfața software-ului Ansys 14.5
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICO PTER
45
3.2 METODOLO GIA DE ANALIZA CFD
Metodologia adoptată pentru analiza CFD a celor două pale de elicopter este bazată pe schema logică ilustrată în fig 3.2 și fig 3.3
Geometrie
Discretizare
[Mesh]
Modul CFX
• Îns erare model și realizarea geometriei curgerii aerului
• Discretizarea domeniului de aer realizat în secvența “ G eometrie”
An aliza în modulul CFX
Ev aluarea soluțiilor
Fig 3.2. Metodologia analizei CFD
Fig 3.3. Ferestrele specific celor trei pasi de analiza CFD: geometrie, discretizare și CFX
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICO PTER
46
Prima etapă în scopul u nei analize CFD este aceea de creare a geometriei, de unde și denumirea „Geometrie”. În cazul domeni ul CFD, când se vorbe ște despre crearea geome triei, nu se referă la crearea modelului care se vrea analiz at, spre exemplu modelarea în fizică în softw are-ul Dassault Systemes Catia, ci se referă la crearea d omeniului de aer care străbate modelul.
A doua etapă a unei an alize CFD este de discretizare a domeniului de aer creat la eta pa anterioară (eng. „mesh” – discretizare). Acest lucru pres upune împărțirea domeniului de aer într-o rețea de calcul, p entru determinarea în fiecare punct de calcul a parametrilo r fizici a curentului de aer – energia cinetică a particule lor infinitezimale de aer, presiunea și densitatea, etc. Discretizarea este considerată nestructurată, suprafețele p rezintă elemente de tip triunghiulare Fig 3.4, iar volumul elemente de tip tetra și prism Fig 3.5.
Etapa a treia o reprezintă solver-ul ales, și anume CFX (Fluent), care î n urma setărilor, va returna rezultatele și rapoartele analizei CFD.
Ca și rapoarte, solver-u l returnează rezultate precum: distribuția de presiun i, dâr ă de vârtejuri de la capătul corpului analizat, modul de curgere al aerului.
În cadrul proiectului se vor analiza cele două pale modelate, la câte dou ă unghiuri de pas general
diferite: 7⁰ si 15⁰ (este considerat unghiul de pas general de regim), la o vitez ă de rotație de 285 rot/min, la o înalțime de 1000 m.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
47
3.3 ANALIZA CFD A PALEI NECONVENTIONALE LA UNGHI
DE PAS GENERAL 7⁰
3.3.1 Geometrie – crearea domeniilor de curgere a aerului
Scopul etapei „Geometrie” este de a definit domenii le de curgere a aerului. Pentru ușurință, se consideră că analiza este făcută pe o singură pală care face o rotatie de 360⁰, astfel platoul rotor se simplifică la o singură pală, adică doar la un sfert din acesta.
Primul domeniu este domeniul static, având dimensiu nile: raza cercului R1=50 m și înalțimea totală a acestuia h=35 m. Acest domeniu este împărțit în două: – o porțiune deasupra palei considerat Inlet, porțiune prin care se consideră că intra aerul, ce are o înalțime h1=15 m; – o porțiune sub pală considerat Outlet, porțiune prin care se consideră ca iese aerul, cu o înălțime h2=20 m. Fig 3.6
Al doilea domeniu este domeniul rotațional, adică porțiunea care se consideră că realizează mișcarea de rotație în jurul axei rotorului. În acest domeniu se regăsețte ți pala. Domeniul rotațional
are ca și dimensiuni: raza cercului R2=17 m și o înălțime de 0.25 m, înălțime care permite calarea palei la orice unghi. Se menționează faptul că, atât la domeniul rota țional cât și la domeniul static, porțiunea de rază R3=0.8 m se va exclude deoarece se consideră că în această zonă se află rotorul elicopterului, și astfel nu aici viteza curentului de aer este nula v=0
m/s. Fig 3.7
Fig 3.7. Domeniu rotațional
Pentru a considera că acele domenii sunt diferite unul de celălalt, și că pala este un corp diferit față de domeniul static, se aplică funcția „Boolean” atât pentru pal ă cât și pentru domeniul rotațional cu ajutorul căreia se extrage spațiul fizic care îl ocupă pala din domeniul rotațional, rezultând un corp solid ce con ține domeniul rotațional fără pală, și spațiul fizic care îl ocupă
Fig 3.8. Pala neconvențională
domeniul rotațional din domeniul static, rezultând un corp solid ce conține domeniul static fără domeniul rotațional.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
48
3.3.2 Discretizare – Mesh
Discretizarea celor două domenii, static și rotațional, presupune împărțirea aerului într-o rețea de calcul ce conțin parametrii fizici al fiecărui punct infinitezimal de fluid analizat.
Etapele discretizării sunt:
Importarea geometriei – se face automat din fereast ra de „Workbench”;
Evaluarea geometriei și realizarea topoligiilor virtuale;
Realizarea contactului dintre domeniul static și rotațional;
Realizarea pereților de periodicitate;
Setarea discretizării globale și a tipului de discretizare pentru ambele domenii;
Setarea discretizării locale (limitarea dimensiunilor elementelor de discretizare de pe anumite suprafețe care impus acest lucru);
Selectarea suprafețelor pe care se dorește realizarea elementelor de inflație (prism elements);
Realizarea discretizării.
2. Evaluarea geometriei și realizarea topoligiilor virtuale
Această operație se face pentru a elimina liniile care nu au rol de a controla discretizarea și de a finisa suprafețele prin unirea celor care au conexiune de tangentă între ele. Se poate face în patru moduri: – de tip „low” – realizeaz ă conexiunea dintre două suprafețe natural tangente; – de tip „medium” – for țează conexiunea dintre suprafețe pentru a realiza un număr mai mic de suprafețe de control; – de tip „high” – for țează unirea tuturor elementelor geometrice, încercând s ă le reducă la
un număr cât mai mic și o formă simplistă de discretizare, nu este indicată; – de tip „Edges Only” – unește muchiile de ghidare ale suprafețelor.
Topologia virtuală este folosită la pală în zona de trecere de la profilul aerodinamic la profilul pătratic în zona de prindere a palei în rotorul elicopterului. Datorită prezenței a multor linii de ghidare în
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICO PTER
49
vederea realizării suprafeței, topologia virtuală se aplică pentru a nu li mita și încurca realizarea
discretizării în aceasta zona Fi g 3.9. Folosim topologia virtuală și la capătul de pală în zona somonului.
3. Realizarea contactul ui dintre domeniul static și rotațional
Între domeniul static și domeniul rotațional se va realiza o conexiune de tip „bonded” (bonded=împreună), ce duce la crearea interfeței de tip fluid-fluid.
4. Realizarea pereților de periodicitate
Se realizează pentru a considera continuitatea domeniului la rotirea acestuia în jurul axei Oz globale. Se realizează și pentru domeniul static și pentru domeniul rotațional.
În aceasta etapă se estimează limitele minimă și maximă a elementelor de discretizare în toate domeniile create (modulul „Si zin g”), num ărul și dimensiunilor straturilor de inflație, care se iau în conformitate cu vâ scozitatea a erului (modulul „Inflation” ).
Setarea discretizării locale (limitarea dimensiunilor elementelor d e discretizare de pe anumite suprafețe care impus acest lucru).
Este realizată pentru a inisa suprafețele dorite, suprafețe în care calitatea discretizării este slabă.
Se optimizează prin mai multe iterații pân ă se ajunge la o valoare potrivită pentru suprafața în cauză.
7. Selectarea suprafetțe lor pe care se dorește realizarea elementelor de inflație (prism elements).
Selectarea suprafețelor pe care se dorește realizarea elementelor de inflație presupune alegerea zonelor în care aerul interacționează cu pala în zona de strat limită. Grosime a primului strat de inflație este introdusă după recoman dările făcute în testele experimentale și anume o valoare g=1 mm și minimul de straturi de captare a stratului limita este de n=10 și maxim n= 20 straturi pentru numere Reynolds de minim Re=10000 00 și maxim Re=109.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICO PTER
50
Realizarea discretiză rii: – domeniul static Fig 3.11, – domeniul rotațional Fig 3.12, – straturi de inflație Fig 3.13
Fig 3.11. Discretizarea do meniului static Fig 3.12. Discretizarea domeniului rotațional
Fig 3.13. Reprezentarea straturilor de inflație
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICO PTER
51
3.3.3 Modulul CFX
CFX
Pre Solver Post
Fig 3.14. Etapele modulului CFX
Modulul CFX reprezintă solver-ul care îl folosim în scopul obți nerii rezultatelor. Pe baza discretizării obținute și a par ametrilor de intrare care cuprind: înălțime de zbor, viteza de rotație, densitatea aerului, numărul Re ynolds la înălțimea de zbor aleasă s.a.m.d rezultă rapoarte CFD.
Stabilirea condițiilor d e curgere aerodinamică:
Altitudinea la care se face analiza CFD: h=1000 m de unde rezu ltă ceilalți parametrii:
Densitate: 1.112 k g/m3;
Vâscozitate dinamic ă considerată 1.758·105 kg/m·s, cu o temperatura de T=25⁰C;
Presiunea relativă a 1000 m: p=89880 Pa;
Viteza de rotație a palei: 285 rot/min.
Etape de realizare a C FX-Pre
Se realizează două domenii – unul static și unul rotațional, specificând condi țiile de contur pentru fiecare dintre domenii: domeniul static cuprinde zona de INLET prin care se consideră că intră aerul, zona de OUTLET prin care se consideră că iese aerul care a spălat pala , interfața de tip fluid-fluid dintre domeniul static și dome niul rotațional, pereții de periodicitate aferen ți domeniului care au fost explicați în modulul „Mesh” și pereții ce definesc zona cilindrică de rază R=0.8 m considerată a fi zona rotorului în care viteză de curgere a aerului este nulă v=0m/s. Domeniul rotațional cuprinde pala, considerată un gol prin care aerul nu poate trece, interfața de tip fluid-flui d dintre domeniul static și domeniul rotațional, pereții d e periodicitate aferenți domeniului ți zona c ilindrică de raza R=0.8 m considerată a fi zona rotorului în care viteza de curgere a aerului este nula v=0 m/s.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
52
În vederea realizării interfețelor de tip fluid-fluid dintre domeniul static și domeniul rotațional se crează un nou domeniu de interfață („Domain Interface”) în care se completeaz ă tipul interfeței și anume „Fluid-Fluid”, și selectând suprafe țele care interferează. În cazul palelor, tipul de interferență considera este „Frozen Rotor”, ce presupune faptul că aerul se învârte în jurul palei și o parcurge (o spală), și nu pala se învârte și străbate aerul.
Pereții de periodicitate se configurează în aceeași metodă, selectând suprafe țele pereților de periodicitate și setând interfa ța de tipul „Rotational Periodicity”, adic ă domeniile static și rotațional realizează mișcare de rotație periodică pentru a simula rotirea aerului în jurul axei Oz global.
Fig 3.15. CFX PRE – INLET, OUTLET, pere ți de periodicitate, sensul curgerii aerului înspre pală
Calculul aerodinamic se realizează cu ajutorul CFX Solver și apoi rezultatele sunt prezentate cu ajutorul CFX Post.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
53
3.4 EVALUAREA REZULTATELOR ANALIZEI CFD PENTRU PALA
NECONVENȚIONALĂ LA UNGHIUL DE PAS GENERAL 7⁰
Analiza CFD începe prin înserarea modelului, realizarea geometriei aerului, discretizarea acestuia, înserarea parametrilor de analiza, toate acestea avand un scop clar definit: de a oferi rezultate cat mai bune și plauzibile, dar mai ales, rezultate adevărate care sa fie apoi confirmate fizic în tunelele aerodinamice și într-un final în testele la scara 1:1 prin desfășurarea testelor de zbor.
Cele mai importante rapoarte din analiza CFD a celor două pale vor fi tratate pentru fiecare pală în parte. Se consideră raport important următoarele:
Distribuția presiunii pe extrados;
Distribuția presiunii pe anvergura;
Reprezentarea zonelor de recirculație;
Reprezentarea fileurilor de aer și formarea vortexului de aer;
Reprezentarea vectorilor de viteză pe pală;
Reprezentarea vârtejurilor și a puterii acestora (Vortex Core Region).
3.4.1 Distribuția presiunii pe extrados
Fig 3.16. Distribuția presiunii pe extrados a palei neconvenționale
Fig 3.17 Distribuția presiunii pe intrados a
palei neconvenționale
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
54
Din Fig 3.16. și 3.17. se observă că valoarea minimă a presiunii, denumită astfel valoare maximă a depresiunii este p=13158 Pa, valoare care se găsește pe extradosul palei, creând astfel portan ța. Valoarea maximă a presiunii ajunge pân ă la valoarea p=21848 Pa. Presiunea maximă se găsește pe bordul de atac al palei, în zona de capăt a palei unde se definește o linie a presiunilor maxime, linie unde aerul are o viteză nulă v=0 m/s. Fig 3.18.
Fig 3.18. Linia presiunilor maximă, viteze nule – zona bordului de fug ă
Este important de menționat faptul că în zona somonului, presiunile au distribuție aleatoare, însă acestea nu trec de valoare presiunii p=6000 Pa. Această distribuție aleatoare este datorată zonei de vârtejuri mari ce apare la cap ătul palei. Fig 3.19.
Fig 3.19. Presiune cu distribuție aleatoare pe capătul de pală – zona somonului
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICO PTER
55
3.4.2 Distribuția presiunii pe anvergură
Distribuția presiunii pe anvergură va fi reprezentată în cinci puncte diferite:
Distribuția presiunii aerului la o distanță de 2 m în fața palei; Fig 3.20.
Distribuția presiunii a erului la 0 m față de pală (pala este strabătu tă de un plan în care este reprezentată distribuția de presiuni); Fig 3.21. a. și b.
Distribuția presiunii aerului la 1 m în spatele palei; Fig 3.22. a. și b.
Distribuția presiunii aerului la 2 m în spatele palei; Fig 3.23.
Fig 3.20. Distribuția presiun ii la 2 m înaintea palei
Fig 3.21. a.
Distrib uție presiune la 0 m de pală
Fig 3.21. b. Distribuție presi une la 0 m de pală – detaliu – zona presiunilor maxime
Fig 3.22. a.
Distribu ția presiunii la 1 m în spate le palei
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
56
Fig 3.22. b. Distribuția presiunii la 1 m în
spatele palei – detaliu – zona de presiuni
mari, indicație a prezentei vârtejurilor
Fig 3.23. Distribuția presiunilor la 2 m în
spatele palei
În Fig 3.20. este reprezentată distribuția presiunii aerului la 2 m înaintea interacțiunii acestuia cu pala. Se observă că aerul este antrenat încă din această fază în jos, și la capătul palei începutul creării de portanță.
În Fig 3.21. a. și b. este reprezentată distribuția presiunii aerului la 0 m, adică într-un plan care intersectează pala. Observăm că în această zonă apar valorile maxime ale presiunilor și anume: valoarea maximă a presiunii este de p=19905 Pa și apare în zona de capăt a palei – Fig 3.20 b. și valoarea maximă a depresiunii p=9449 Pa pe extradosul palei.
În Fig 3.22. a. și b. se reprezintă distribuția presiunii la 1 m în spatele palei. Se observă o presiune mare în zona de capăt a palei care indică formarea dârei de vârtejuri.
În Fig 3.23. se reprezintă distribuția presiunii la 2 m în spatele palei, observând c ă aerul este încă antrenat în jos.
3.4.3 Reprezentarea zonelor de recirculație
Zonele de recirculație sunt acele zone în care aerul tinde să se întoarcă către zona de curgere, ducând astfel la crearea vârtejurilor și mai departe la creșterea vitezei induse și la deranjarea zonelor de importanță majoră, scade astfel randamentul total al platoului rotor.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
57
În plan cu pala neconvențională, se observă apariția a două zone de recirculație în partea de prindere a palei, o zonă chiar la unul din colțurile profilului pătratic la prinderea în rotor, și cealaltă în zona de trecere de la profilul pătratic la profilul aerodinamic Fig 3.23.
Fig 3.24. Reprezentarea zonelor de recirculare în planul palei
Într-un plan vertical perpendicular pe coarda palei Fig 3.24, se observă efectul rotațional al palei și anume crearea vortexului de aer, adică o recirculare a o parte din aerul care a spălat pala din nou către zona de curgere.
Fig. 3.25. Zonele de recirculare ale aerului în plan vertical
Prima zonă de recirculare din acest plan și cea mai importantă dintre toate o reprezintă recircularea ce o dă capătul de pală. Această recirculare are dimensiuni foarte mari, ajungând c hiar pân ă la 50 m (în analiza CFD, domeniul static este considerat circular de rază R=50 m). Se observă din Fig
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICO PTER
58
3.25. că această limitare a do meniul static este insuficientă pentru o reprezentare clară a mărimii
recirculării aerului din această zona Fig 3.26.
A doua zonă de recirc ulare din planul vertical se observă în zona d e prindere a palei în rotor. Această zonă se poate împărți în două și anume: zona domeniului rotaționa l unde aerul de pe intrados alunecă pe pală și la capătul acesteia trece pe partea de extrados a palei, și zo na domeniului static unde o parte din aerul ce spală pala se intoarce în zona de Inlet și din nou trece pes te pală. (Fig 3.27.)
Fig 3.26. Zonele de recirculare în domeniul static
Fig 3. 27. Zone de recirculare în domeniul rotațion al
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
59
3.4.4 Reprezentarea fileurilor de aer și formarea vortexului de aer
Fig 3.28. Fileurile de aer și formarea vortexului de aer
Fig 3.29. Fileurile de aer și vortexul de aer – reprezentare 3D
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
60
3.4.5 Reprezentarea vectorilor viteză de pe pală
Fig 3.30. Vectorii de viteză a aerului față de suprafața palei
Se observă că în zona bordului de atac, o parte din vectorii de viteză a aerului au sensul pozitiv axei Oz, iar altă parte sensul negativ axei Oz. Aceasta se datorează faptului că în bordul de atac se delimitează zona liniei de viteze nule. Astfel, molelculele de aer care se află deasupra acestei linii de viteze nule vor avea sensul pozitiv, iar moleculele de aer care se află sub linia de viteze nule vor avea sensul negativ.
Se observă că la bordul de fugă aerul de pe intrados și aerul de pe extrados se unesc. Importantă e zona de îndoire la 80% din lungimea palei unde aerul are viteza v=0 m/s și este direcționat circular către celelalte zone din apropiere. (Fig 3.31.)
Fig 3.31. Zona de redirecționare circulară Fig 3.32. Zona de legatură între profile
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
61
O zona importantă o reprezintă trecerea de la profilul pătratic la profilul aerodinamic unde vectorii viteză au direcții haotice, menținând totu și sensul de curgere. Această zonă este foarte periculoasă deoarece duce la zone benefice de creare a vârteju rilor. Fig 3.32.
Fig 3.33. Zona bordului de atac cu viteze maxime și zona somonului
În Fig 3.33. se ilustrează zona de pe intrados aflată în imediata apropiere a liniei vitezelor nule unde vitezele ajung la valorile maxime datorită formei intradosului profilului NPL 9615 6%. Viteza maximă atinsă în această zonă are o valoare v=232 m/s, adică 0.68 Ma. Se observă că și în zona somonului se ating viteze mari.
3.4.6 Reprezentarea vârtejurilor și a puterii acestora (Vortex Core Region)
Se observă puterea și viteza de formare a vârtejurilor pe pala neconven țională care în principal apare în zona de capăt a acesteia – în zona somonului, și în zona de încastrare a palei în rotor. Fig 3.33
Viteza maximă de formare a vârtejurilor se afl ă în zona capătului de pală, pe extrados, înspre bordul de atac și are o valoare v=257 m/s. Viteza de formare a vârt ejului în zona somonului are o
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 3. ANALIZA CFD A PALELOR DE ELICOPTER
62
valoare v=224 m/s adică 0.65 Ma, Fig 3.34, iar în zona de încastrare a palei, viteza de formare a
vârtejurilor are o valoare v=22.37 m/s, Fig 3.35.
Fig 3.34. Zonele de apariție a vârtejurilor pe pal ă
Fig 3.35. Vârtej în zona somonului Fig 3.36. Vârtej în zona de încastrare în rotor
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
63
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
4.1 INTRODUCERE ÎN FEA
În matematică, metoda elementelor finite reprezintă o tehnică numerică pentru găsirea soluțiilor aproximative a problemelor valorilor limită. Folosește metode variaționale să minimizeze o eroare de funcție și să conveargă la soluții stabile. Așa cum putem considera că un cerc este aproximat prin conectarea a multor linii de dimensiuni foarte mici, metoda elementelor finite cuprinde toate metodele de conectare a ecuațiilor simple a tuturor elementelor din subdomenii relativ mici, denumite elemente finite, în scopul aproximării unei ecuații mult mai complexe dintr-un domeniu mult mai mare.
Principiile generale pe care se bazează metoda elementelor finite sunt:
Reprezentarea cât mai corect ă a geometriilor complexe
Includerea proprietaților materialelor diferite
Reprezentarea într-un mod simplu a soluțiilor
Evidențierea fenomenelor locale
Metoda elementelor finite implică împarțirea domeniului în mai multe subdomenii, fiecare din acest subdomeniu reprezentat de câte un set de ecua ții, urmată de o recombinare sistematică a tuturor ecuatiilor elementelor în ecuații de calcul finale ale sistemului global. Acestea au definite metode de găsire a soluțiilor bine definite și pot fi calculate de la valorile inițiale de intrare ale problemei originale și obțirea lor ca și răspuns numeric.
4.1.1 Structura
Pentru a avea o eficiență cît mai ridicată, în analiza cu metode finite se utilizează un concept de structură mai general și mai simplu decât în mod obi șnuit. Uzual în analiza cu metode finite, prin structură de rezistență se întelege un ansamblu de bare, plăci, învelișuri și volume (solide) care acceptă diferite ipoteze și anume: ipoteza secțiunii plane, a lui Bernoulli, pentru bare, și ipoteza normalei rectilinii, a lui Kirchhoff, pentru plăci și învelișuri. Acceptarea acestor ipoteze face posibilă pentru bare
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
64
și plăci, în analiza cu element finit, înlocuirea forțelor exterioare reale prin rezultate interne – efor turi N, T si M (forțe axiale: compresiune/tracțiune, forțe de forfecare, momente: încovoietoare/torsionare) – cu care sunt static echivalente. În analiza structurilor se poate deci introduce conceptul de forță concentrată, fără ca prin aceasta să se producă câmpuri de tensiuni, deforma ții și/sau deplasări cu singularități, așa cum se întamplă în teoria elasticității, când aplicarea unei for țe concentrate într-un punct al semispațiului elastic duce la producerea unor tensiuni și deplasări infinite în punctul respectic.
4.1.2 Modelul de calcul
Pentru a putea efectua o analiză cu elemente finite a unei structuri, una din cele mai importante etape o reprezintă elaborarea modelului de calcul al structurii respective. Modelele analizei cu element finit sunt modele matematice aproximate ale structurii care urmează să fie analizată. Pentru trecerea de la structura reală la modelul ei de calcul nu există algoritmi și metode generale care să asigure elaborarea unui model unic, care să aproximeze cu o eroare prestabilită, cunoscută, structura care urmează să se aproximeze. Modelul de calcul de rezistență al unei structuri se elaborează pe baza intuiției, imaginației și experienței anterioare a celui care face modelarea. Modelul trebuie să sintetizeze eficient toate informațiile disponibile referitoare la structura respectivă.
4.1.3 Discretizarea
Modelul de calcul al structurii care urmează să fie supusă analizei cu elemente finite, în cazul general, este format din linii, care sunt axele barelor structurii, din suprafețe plane și curbe, care sunt suprafețele mediane ale plăcilor componente ale structurii și volume, care sunt corpurile masive ale structurii. În aceasta etapă a elaborării, modelul este un continuu, cu o infinitate de puncte, ca și structura dată. Discretizarea este demersul fundamental cerut de metoda elementelor finite și constă în trecerea de la structura continuă (cu o infinitate de puncte) la un model discret, cu un număr finit de puncte (noduri). Această operație se face “acoperind” modelul cu o re țea de discretizare și se justifică prin aceea că din punct de vedere practic, ingineresc, sunt suficiente informații privind structura într-un număr oarecare de puncte ale modelului.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
65
4.1.4 Nodul
Punctele definite prin rețeaua de discretizare se numesc noduri. În noduri se definesc necunoscutele nodale primare, ale căror valori sunt rezultatele FEA. Necunoscutele asociate nodurilor pot fi deplasările ,caz in care MEF se numește model deplasare, sau eforturi, când MEF se nume ște model echilibru. Pentru modelul deplasare se admite că forma deformată a structurii, ca urmare a unei solicitări oarecare, este definită de deplasările tuturor nodurilor în raport cu rețeaua nodurilor înainte de deformare, fiecare nod putând avea maxim șase componente ale depasării în raport cu un reper global, denumite deplasări nodale. Componentelor nenule ale deplasărilor pe care le poate avea un nod al modelului structurii în procesul de deformație li se asociază un versor denumit grad de libertate geometrică – DOF (eng. „degrees of freedom”) al nodului, care are valoarea DOF=0, dacă pe direcția respectivă component deplasării este nulă sau cunoscută și valoarea DOF=1, dacă deplasarea este necunoscută. Unele grade de libertate ale modelului trebuie “e liminate” deoarece unele noduri sunt „legate”, reprezentând reazeme și deci deplasările lor sunt nule sau au valori cunoscute, impuse și nu mai trebuie calculate.
4.1.5 Elementul finit
Procesul de discretizare are drept urmare împărțirea modelului structurii într-un număr oarecare de fragmente sau elemente Fig 4.1. Elementele finite se leaga între ele prin nodurile commune, care sunt vârfurile patrulaterelor sau triunghiurilor. Un ele ment finit poate fi privit ca o piesă de sine stătătoare, care interacținează cu celelalte elemente numai în noduri. Studiul structurii reale se înlocuiește cu studiul
ansamblului de elemente finite obținut prin discretizare, care devine astfel o idealizare a structurii și este un model de calcul al structurii date.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
66
4.2 STUDIUL FEA AL PALEI NECONVEȚIONALE DE ELICOPTER
4.2.1 Structura interioară considerată și materiale alese
Structura interioară palei neconvenționale de elicopter a fost model într-un mod simplist, adoptând structura interioar ă a palei elicopterului IAR 330 Puma. Se iau în considerare componentele majore din structura interioară si anume lonjeronul, structura NIDA, întăritura de pe bordul de fugă al palei și moltoprenul dispus în zona de trecere dintre profilul pătratic si profilul aerodinamic.
Grosimea componentelor majore sunt definite de grosimea profilului aerodinamic pe zona de lucru a palei si de trecerea dintre profilul pătratic si profilul aerodinamic în zona de prindere a palei.
Materiale folosite pentru structurile majore considerate în analiză
1. Lonjeron
Materialul de fabricație al lonjeronului este fibra de sticlă cu proprietăți: Tab 4.1
Modulul longitudinal: E1 = 90 GPa
Modulul transversal: E2 = 90 GPa
Modulul de forfecare în plan: G12 = 45 Gpa
Coeficientul lui Poisson: ν12 = 0.28
Tab 4.1. Proprietățile de material a fibrei de sticlă tip “S”
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
67
Lonjeronul se realizează prin repetiția operației de întindere a fibrei de sticlă pe bordul de atac al
profilului generat de o semimatriță. În zona bucșelor, fibrele de sticlă le înfășoară creând astfel o zon ă
bine întărită. Acest surplus de material din zona bucșelor este necesar datorită tensiunilor mari care apar
în timpul acțiunii forței centrifuge.
2. Structura NIDA
Structura fagure va fi realizată din materialul KOREX, ce este o hâartie îmbun ătățită cu aramidă
pentru a-i oferi proprietăți mai bune. Tipul de material KOREX considerat are o marime a celulelor de
3.175 mm, o densitate de 0.048 g/cm3 și prezintă următoarele proprietăți:
Tab 4.2. Proprietățile materialului Korex ales
3. Întaritura bordului de fugă
Este realizat din fibră de carbon HM (High Shear Modulus) și prezintă următoarele proprietăți:
Tab 4.3. Proprietățile fibrei de carbon HM
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELIC OPTER
68
4. Moltopren
Moltoprenul este de fapt o spumă poliuretanică. Tipul de molt opren ales în analiză are denumirea de spumă polimet acrilimidă și prezintă următoarele proprietăți, evidențiate cu culoarea orange și bold din Tab 4.4.
Tab 4.4 Proprietățile moltoprenului – spumă polimetacrilimidă
4.2.2 Metologia aleas ă și exemplificarea pe pala neconvențional ă
Analiza FEA se realizează în software-ul “Patran 2010”, Fig 4.2, preprocesare si post proces are, iar solver-ul folosit este softw are-ul “Nastran”.
Metodologia considera tă se bazează pe câtiva pa și bine definiți care duc la rezultate favorabile.
Pașii sunt:
Importarea geometriei și verificarea acesteia
Crearea grupurilor de eferință
Discretizarea compone ntelor majore
Crearea materialelor
Crearea proprietăților
Crearea constrângerilo r și aplicarea forțelor
Analiza cu ajutorul sof tware-ului de calcul Nastran
Importarea fișierului *.bdf și interpretarea rezultatelor
Pașii metodologiei vor fi detaliați în cele ce urmează, în cadrul analizei palei neconvenționale
considerate
Parasolid.xmt, CATIA, I-DEA S, IGES, STEP, Neutal și altele Fig 4.3. Modelul nostrum de pală este importat din formatul STEP. Pentru a putea lucre cu el, software-ul il tr ansform în Parasolid.xmt, aceasta fiind extensia cu care o perează Fig 4.4. Ca și observație, subliniem faptul că numărul de solide găsite de software în cadrul tr ansformării din formatul STEP în formatul Parasolid.xmt trebuie să fie același numărul de solide care le aveam în etapa de proiectare în software -ul de design a modelului. Astfel pentru pala neconvențio nală, numărul de solide recunoscute de softwa re-ul Patran 2010 va trebui sa fie egal cu n=4, adică acela și număr de solide considerat în etapa de proi ectare în software-ul Catia V5R19. Fig 4.5
Fig 4.3. Fereastra de importare a geometriei și tipurile de fișiere po sibile de importare
Fig 4.4. Convertire din STE P în Parasolid
Fig 4.5. Număr de solide importate
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELIC OPTER
70
Fig 4.6. Captură ecran – structura interioară a palei neconvenționale
4.2.2.2 Crearea grup urilor de referință
După importarea geom etriei, software-ul Patran 2010 crează autom at grupuri în care include solidele găsite. Pentru o contro lare mai bună a solidelor create, este de prefe rat să se creeze grupuri noi în care se vor include ori geometria fiecărui solid importat, și mai târziu discretiz ările solidelor.Fig 4.7. Grupurile în care vom include geometria vor avea prescurtarea „GEO ”, urm at ă de denumirea solidului în cauză, ex: GEO_LONJ, iar grupurile care vor include discretizările vor avea prescurtarea „FEA ”, urmată de denumirea solidulu i în cauză, ex: FEA_NIDA.
Grupuri
Fig 4 .7. Crearea grupurilor „Geometrie” și „Mesh ”
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELIC OPTER
71
Fig 4.8. Captură ecran cu grupurile create și cele făcute de Patran
4.2.2.3 Discretizarea componentelor majore
Discretizarea se face pentru fiecare componentă în parte și apoi s e leagă solidele intre ele, eliminând nodurile în plus. Discretizarea are forma elementelor de tip „tet ” folosind topologia “tet10”, adică forma elementelor de su prafață vor fi de triunghiulare, iar elementele de volum prisme. Numărul de noduri și elemente în ca re software-ul împarte fiecare componentă, precum și dimensiunile elementelor finite sunt redate în tabelul Tab 4.5.
Tab 4.5. Numărul de noduri și de elemente; dimensiunile elementelor fini te
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELIC OPTER
72
După discretizarea co mponentelor este posibil ca unele noduri să se suprapună. Pentru
eliminarea dualităților si lega ea nodurilor intre ele, se face echivalență între elementele suprapune.
Numărul de noduri echivalente găsite este n=7401.
a.
b.
c. d.
Fig 4.9. Discretizarea componentelor: a – lonjeron; b – structura NIDA; c – înt ăritură bord fugă;
d – moltopren
4.2.2.4 Crearea mate rialelor
Componentele interio are sunt fabricate din materialele amintite la subcapitolul 4.2.1:
Lonjeronul – fibr ă de s ticlă;
Structura NIDA – Korex;
Întăritura bordului de f ugă – fibr ă de carbon;
Moltopren – polimetac rilimidă.
Fig 4.10. Captură ecran – crearea materialelor
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
73
4.2.2.5 Crearea proprietăților
Cu ajutorul meniului „Properties”, se creaz ă proprietăți ce conțin materialul din care este fabricată componenta aleasă. În acest stadiu, fiecărei componente i se dă proprietatea dorită. Pentru lonjeron, se va crea proprietatea numita “LONJ”, ia r din meniul “Input Properties” se allege materialu l din care este făcut lonjeronul – fibr ă de sticlă. Următorul pas este de selectare a componentei “FEA_LONJ” pentru a i se implementa proprietatea no u creată. Aceeasi metodă este folosită aceeasi metodă.
Tab 4.6. Proprietăți create
Fig 4.11. Captura meniu „Properties”
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
74
4.2.2.6 Crearea constrângerilor și aplicarea forțelor
Când spunem constrângeri ne referim la zonele în c are modelului i se vor bloca translația pe o anumită direcție, rotația dupa o anumita axă, sau mai multe deodată. În cazul palei, aceasta se va considera încastrată în zona bucșelor, deci toate nodurile de aici li se vor suprima orice mișcare de translație sau rotație.
Fig 4.12. Nodurile din zona bucșelor încastrate
Forțele care se vor aplica pe pale vor fi preluate din analizele CFD: forța de portanță și forța de rezistență la înaintare. Forța centrifugală se calculează cunoscând greutatea palei, viteza de rota ție a palei raza platoului rotor. Însă, valoarea care se lua în cadrul analizei este forța centrifugă experimentală ce are o valoare Fc=220 kN. Se consideră locul de aplicare a celor două forțe în nodurile de la capătul de pală.
0.01097 ∙ ∙
∙
Unde 82
7.54
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELIC OPTER
75
285 §/
Tab 4.7. Forțele de pe pală
Fig 4.13. Aplicarea fortelor pe nodurile de la capatul palei
Fig 4.14. Bloca rea translațiilor și rotațiilor în zona de prinde re a palei și
aplicarea forțelor la capătul acesteia
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
76
4.2.2.7 Crearea cazului de analiză
Crearea cazului de analiză presupunerea alegerea constrângerilor și a forțelor care acționează asupra modelului. În cazul de față, cazul de calcul presupune blocarea translațiilor în zona bucșelor și aplicarea forțelor la capătul de pală. (Fig 4.15.)
Fig 4.15. Componența cazului de calcul considerat
4.2.2.8 Interpretarea rezultatelor
Din punct de vedere al interpretării rezultatele, se vor considera cele mai importante de analizat: deplasările, tensiunea von Mises și tensorul de deformații care apar atât pe pala considerat ă ca un întreg, dar și pe fiecare element al palei individual: lonjeron, structura figure, întăritura bordului de fugă și moltoprenul considerat la trecerea de la profilul pătratic la profilul aerodinamic.
Deplasările se vor exprima în mm, tensiunea von Misses în Pascali – Pa (1 N/m 2=1 Pa), iar deformațiile fără unitate de măsură.
Cazul de încarcare al palei care se va exemplifica va fi cu forțele date de unghiul de pas general
egal cu θ=7⁰:
Tab 4.8. Forțe considerate în cazul unghiului de pas general θ=7⁰
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
77
Tab 4.9. Deplasările pe componente si deplasarea totală a palei
Se observă că deplasarea maximă a palei are o dimensiune de δ=1140 mm. Componentele care ating acest maxim sunt structura fagure si întăritura de la bordul de fugă, cel mai puțin solicitat fiind moltoprenul, ajunge la o valoare maximă δ=34.9 mm.
Fig 4.15. Deformații: a – pal ă; b – lonjeron; c – NIDA; d – înt ăritura bordului de fugă; e – moltopren
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
78
Tensiunea von Mises
Când spunem tensiunea de efort von Mises ne referi m de fapt la o teorie numită von Mises – criteriul Hencky pentru ruperi elastice. Aplicat pe un corp elastic, acesta se referă la sistemul de forțe ce se aplică pe corp pe toate cele trei dimensiuni, dezvoltând un sistem complex de eforturi. Putem spune că în orice punct din corp există eforturi care
acționează în diferite direcții, iar direcția și intensitatea acestor eforturi se schimba de la punct la punct. Criteriul von Mises reprezintă o formulă care calculează dacă toate eforturile dintr-un punct va cauza ruperea corpului. Tensiunea von Mises nu este de fapt o tensiune adevărată, ci un număr cu rol de index: dacă tensiunea von Mises depășește
tensiunea de rupere, atunci materialul este Fig 4.16. Diagrama efort – tensiune [ARK C] considerat a fi în zona de rupere(Fig 4.15).
Teoria von Mises presupune aproximarea unui corp împărțindu-l în forme simple, forme care să înglobeze și suprafața exterioară a corpului, spre deosebire de teoria Tresca care nu înglobează și suprafața exterioară. Teoria von Mises se mai numește și teoria a II-a și se bazează pe formula:
– 3 ∙ "#
Fig. 4.17. a – teoria von Mises b – teoria Tresca. [ARK C]
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
79
Tab 4.10. Raportul tensiunilor von Mises pentru cazul considerat
Din tabelul 4.10 se observă că tensiunea von Mises este egală cu 5130 N și cea minimă cu 0.135. Calculând pe componente, cele mai solicitate compon ent ale structurii palei sunt întăritură care atinge o valoare von Mises de 5130 N și moltoprenul și NIDA cu o valoare de peste 1000 N. În Fig 4.18 sunt prezentate distribuția tensiunilor von Mises pe pală, dar și pe componente, indicând și zonele periculoase. Moltoprenul nu este indicat deoarece este solicitat prea puțin în comparație cu celelalte component. Semnul “-“ nu presupune valoare negativ ă, ci faptul că avem compresiune.
Fig 4.18. Tensiunile von Misses: a – pal ă; b – lonjeron; c – NIDA; d – înt ăritură bord fugă
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
80
Deformații
Termenii deformație se referă la gradul de deformare care îl suferă un corp comparat cu mărimea și forma originală. De exemplu, daca un corp de 10 cm pe una din dimensiuni este deformat și ajunge la dimensiunea de 9 cm, atunci deformația va fi egală cu (10-9)/10 sau 0.1 – câteodata este exprimat ă în procente, în acest caz 10%. Deformația este adimensională.
%& unde σ – este tensiunea,
E – modulul de elasticitate longitudinal (modulu l lui Young),
& '(
ε – deforma ție
)∙*+ = 1 => ε – adimensional
)∙*+
Tab 4.11. Deformații
Deformația are o valoare maximă εmax=31.4 și o valoare minimă εmin=0.00366.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 4. STUDIUL FEA AL PALELOR DE ELICOPTER
81
4.3 STUDIU COMPARATIV FEA A CELOR DOUĂ PALE DE
ELICOPTER ANALIZATE
Studiul comparativ a celor două pale de elicopter, neconvențională și cea a elicopterului IAR 330 Puma, a avut ca date de intrare forțele aerodinamice rezultate din studiul CFD al palei neconvenționale.
Ambele pale se consideră încastrate în rotor prin simularea blocării tuturor gradelor de libertate, translații și rotații, din zona bucșilor de prindere a palelor. Deși forțele aerodinamice rezultate din studiul CFD au fost citite din zona de 70% din raza palei, pentru o simplificare și o siguranță în analiză, forțele se vor considera că acționează la capătul de pală. Forța centrifugă va acționa în zona capătului de pală pe lungimea întregii corzi. Forța de portanță și rezistență la înaintare vor fi dispune pe lonjeron, într-unul din nodurile capătului acestuia.
Tab 4.12. Valorile forțelor considerate în studiu
Fig 4.19. Palele considerate în analiză
Universitatea Transilvania Brasov
Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR 83
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE
PRIN SIMULAREA FAZELOR
5.1 ANALIZA ȘI MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE
PRIN SIMULAREA FAZELOR DE FIABILITATE
În industria constructoare de aeronave, în cadrul fiabilității, când ne referim la diagrama/schema fazelor, mai specific diagrama fazelor de fiabilitate (DFF), ne referim la o extindere a noțiunii de diagramă bloc de fiabilitate (DBF), care prin definiție descrie grafic secvențele diferitelor faze operaționale și/sau reparație încercate de un sistem. Deși diagrama bloc de fiabilitate (DBF) este utilizată pentru calculul fiabilității unui sistem cu configurație fixă, diagrama fazelor oferă posibilitatea reprezentării unui sistem a cărui configurație se schimbă pe parcursul unei durate de timp, mai succint acest lucru explică faptul că pe durata unei misiuni, sistemul poate avea parte de schimbări în ceea ce priveste configurația de fiabilitate a diagramei bloc, a defecțiunilor, reparațiilor și/sau a proprietăților unei componente individuale din sistem. Ca și exemplu se enumeră:
Sisteme a căror componente întampină defecțiuni datorită diferitelor solicitări care acționează asupra sistemelor;
Sisteme sau procese care au nevoie de echipamente suplimentare pentru funcționarea lor de-a lungul unui ciclu, cum ar fi: pornire (start-up), oprire (shut-down), reparații programate (periodice);
Sisteme în care configurația diagramei bloc a fiabilității (DBF) suferă schimbări la diferite intervale de timp, de exemplu diagrama bloc a fiabilității a configurației sistemului de propulsie a unui elicopter tri-motor în timpul operației de standing (operare motor si verificare sisteme), decolare, zbor de croazieră si aterizare;
Sisteme conținând diferite mecanisme operând în schimburi zi-no apte și cu nivele diferite de funcționare între schimburi.
Condiții de analiză: pentru analiza unui asemenea sistem, fiecare etapă a unei misiuni trebuie reprezentată de o fază a căror proprietăți sunt asociate în cadrul diagramei bloc a fiabilității (DBF) corespunzătoare configurației unei anumite faze a fiabilității, alături de alte resurse asociate
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR
84
sistemului din cadrul fazei de fiabilitate. Astfel, o diagramă a fazelor de fiabilitate va fi de fapt o
secvență de faze interconectate, dispuse și ilustrând o anumit ă ordine cronologică.
Pentru o ințelegere mai bună a acestor lucruri, ilustrăm diagrama fazelor de fiabilitate a unui elicopter tri-motor:
Conform tabelului de mai sus (Tabel 1.1), se definesc cinci etape esențiale a funcționării sistemului de propulsie si anume: standing – înaint e de decolare, decolare, zbor de croazieră, aterizare si standing după aterizare. În cadrul fiecărei etape de funcționare la sistemul de propulsie pot apărea defectări critice, rezultând astfel diferite configura ții ale diagramei fazelor de fiabilitate. În prima etapă de zbor, în cea de standing înainte de decolare, dacă apare o defectare critică, elicopterul nu va decola si în schimb va fi trimis la reparații. Dacă în următoarele etape de zbor: decolare, zbor de croazieră si aterizare apare o defectare critică, se va considera ca sistemul este pierdut.
Mai mult, se presupune că pentru etapa de standing, elicopterul poate folosi doar un singur motor din cele trei; în etapa de decolare toate cele trei motoare vor fi folosite; etapa zborului de croazieră poate folosi doar două din cele trei la fel ca și etapa de aterizare și in final etapa de standing după aterizare poate folosi doar un singur motor din cele trei prevăzute. Astfel pentru fiecare model de etapă de zbor este necesară o valoare diferită “k” de motoare din totalul „n” de motoare și astfel o diferită diagramă bloc de fiabilitate (DBF). Totuși, trebuie gasită o tranziție dintre o diagramă bloc la alta, într-o anumită ordine/secvență, menținând și întreaga activitate trecută de pân ă la actuala etapă a fiecărei componente.
Mai pe scurt, un motor nou va face tranziția către etapa de decolare cu un număr de ore de funcționare egal cu timpul de funcționare în etapa de standing, sau dacă un motor va suferi o defectare critică și se va opri într-o anumită etapă de zbor, atunci el va rămâne oprit și în următoarele etape de zbor, ex: dacă un motor din cele trei ale elicopterului se va defecta în etapa de zbor de croazieră, acesta va rămâne defect și pe perioada etapei de aterizare. Acest lucru este ilustrat în Fig.
5.1
Fig. 5.1. a. Diagrama fazelor de
fiabilitate – elicopter cu trei motoare;
b. diagramele bloc ale fiecărei faze de
Facultatea Inginerie Tehnologică și M anagement Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR
86
În Fig 5.1.a se reprezintă cu ajutorul blocurilor fazele operaționale și anume: standing înainte de decolare, decolare, zbor de croazieră și aterizare, și un bloc final reprezentând faza de repara ții. Fiecare din aceste faze operaționale au câte dou ă traiectorii care derivă din a cestea: o traiectorie de succes (succes path) și o traie ctorie de defectare (failure path), prezentând c onsecin țele apărute în urma alegerii uneia din cele două traiectorii. De exemplu, dacă etapa de stan ding înainte de decolare se realizează fără apariția defecțiunilor și este declară „succes”, atunci elicopterul va trece la următoarea etapă de zbor: de colarea; dacă etapa de standing este declar ată „insucces”, atunci elicopterul va fi trimis la repar ații. Dacă etapele de zbor: decolare, zbor de cr oazieră și aterizare vor fi declarate „insucces”, atunci ele vor urma traiec toria de defectare (failure p ath; STOP), ducând la oprirea simulării misiunii de z bor. Pentru etapa de zbor: standing după ateri zare, ambele traiectorii de succes si de defectare (NO D) duc către reparații.
Toate aceste etape de zbor însumate reprezintă un ciclu de zbor. Astfel simulările sunt realizate din mai multe cicluri de zbor, testând as tfel și fiecare componentă a elicopterului la ceea ce inseamnă rezistenta lui de-a lungul timpului la solicitările din timpul zb orului dar și acțiunea mediului inconjurător. Trans miterea lor de-a lungul ciclurilor presupune transferul timpului de utilizare de-a lungul fazelor pe ntru fiecare bloc și reprezentarea funcționării continue a unui sistem implicând repeti ția acelorași f aze în aceeași ordine/secvență (ex: un elicopt er realizează mai multe zboruri).
5.2 STUDIU DE C AZ
Se consideră un elicopt er prevăzut cu trei motoare. Pentru o simulare mai reală se vor include și diagramele bloc a sistemul ui de navigație și a trenului de aterizare. Tre nul este de tip triciclu, astfel că fiecare dintre cele trei brațe ale acestuia – roat ă de față și celelalte do uă din spate – Fig. 2.1 , vor dispune de cate o diagramă bloc,
deoarece defectarea oricăruia dintre acestea duce la abandonarea misiunii și trimiterea lui la sediul de reparații sau la încheierea simulării, după caz.
Fig 5.2. Tren de aterizar e tricilu
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR
87
În vederea analizei, se va folosi software-ul specializat BlockSim 8, dezvoltat de firma
ReliaSoft SUA.
Fig 5.3. ReliaSoft
În cazul analizat, diagramele bloc considerate sunt:
diagrama bloc „Standing”,
diagrama bloc „Decolare”,
diagrama bloc „Zbor_croazier ă”,
diagrama bloc de „Aterizare” și
diagrama bloc „Aterizare_for țată”.
Așa cum a fost specificat mai sus, fiecare din aceste diagrame vor avea în componența lor blocuri ce vor reprezenta:
„Sistem_naviga ție”,
„Motor 1”,
„Motor 2”,
„Motor 3”,
„Tren_aterizare_1”,
„Tren_aterizare_2”,
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și M anagement Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR 88
„Tren_aterizare_3”, și
un nod care va i ndica câ te motoare din cele trei disponibile vo r fi funcționale în etapa de zbor în cauză Fig. 2.2.
Fig 5.4. Diagrama bloc configurație “Standing”
Diagrama bloc a etapei de zbor „Zbor_croazier ă” nu va avea în componența sa trenurile de aterizare deoarece acestea nu sunt folos ite pe durata desfășurării acestei faze de zbor – Fig. 2.3.
Fiabilitatea sistemului de navigație urmează o distribuție Weibull unde β=1. 5 și η=30 ore. Fiabilitatea motoarelor urmează o distrib uție Weibull cu β=1.5 și
Fig 5.5. Diagrama bloc configurație
η=20 ore, iar fiabilitatea trenu rilor de aterizare urmează
“Zbo r_croazier ă”
o distribuție Weibull cu β=1.5 și η=15 ore.
Astfel pe baza diagram elor bloc va rezulta diagrama fazelor de fiabilitate cu ajutorul căreia se va simula modul de utilizare a sistemului de navigație, a motoarelor și a trenurilor de aterizare. Modul de desfășurare a zborului elicopterului este: în faza „Standing”, dac ă urmează calea „succes path”, adic ă nu apar defecțiuni, el va face trecerea la faza „Decolare”. În ca z contrar, va merge pe calea „fail path” și va ajunge în blocul „Repara ții”. În cazul din urm ă, componenta defectată va fi reparată și simularea continuă. În fazele „Decolare”, „Zbor_croazier ă” și „Aterizare”, dac ă apar defectări atunci elicopterul va urma calea „Aterizare_for țată”. Spunem c ă aceasta are rolul unui nod
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR
89
deoarece, în cazul în care aterizarea forțată are parte de succes, elicopterul este trimis la reparații și
simularea continuă. În caz contrar, elicopterul se prăbușește și simularea se oprește. (Fig 2.4)
Fig 5.6. Diagrama fazelor: Standing, Decolare, Zbor_croazieră, Aterizare,
Aterizare_forțată, Reparații, Stop
În faza „Repara ții”, toate blocurile au o sarcin ă de întreținere corectivă cu o durată de trei ore. Întreținerea corectivă se face după defectarea totală a elementului (upon item failure). În același timp, considerăm că blocurile sunt configurate cu o sarcină de întreținere preventivă de o durată de
minute care este îndeplinită când faza de între ținere/reparații începe (maintenance phase). Ambele sarcini sunt configurate să refacă blocurile să se comporte ca noi.
Fig 5.7. Sarcinile de întreținere corectivă și preventivă în cadrul fazei “Repara ții”
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și M anagement Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR 90
Durata fiecărei faze de zbor:
Standing – 5 min
Decolare – 15 min
Zbor_croazieră – 3 ore
Aterizare – 15 min
Aterizare_forța tă – 30 min
În cadrul simulării, timpului de încheiere al simulării i se va atribui valo area de 60 ore, cu proprietatea de a afișa rezultatele la fiecare iterație
de o oră, și numărul de simulări care se va face este Fig 5.8. Para metrii simularii de 500 de simulări. (Fig 2.6)
În cele ce urmează se v or prezenta rezultatele simulării, începând cu prezentarea gener ală a parametrilor sistemului (Tabel 5.2) și reprezentarea diagramei „Timp de func ționare/nefuncționare” vs Timp (Block Up/Down), c are indică timpii în care elicopterul își desf ășoară activitatea fără apariția defecțiunilor, timpii î n care elicopterul zboară deși anumite compo nente sunt defecte sau considerate defecte în cadrul simulării și timpii în care acesta este în atelierul de reparații Fig. 2.7
Tab 5.2. Parametrii sistemului
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR 91
Fig. 5.9. Diagrama „Timp de func ționare/nefuncționare” vs Timp (Block Up/Down)
Diagrama va fi astfel citită:
La timpul t=7.506 ore, motorul 1 se defectează în configurația de zbor „Aterizare”, îns ă elicopterul își continuă aterizarea deoarece conform diagramei bloc „Ateriz are”, acesta are nevoie doar de 2/3 motoare pentru a putea ateriza; astfel el încheie misiunea de zbor cu succes la timpul t=7.667 ore unde intră direct în atelierul de reparații unde motorul 1 este reparat într-un interval de timp t=3 ore conform sarcinii de întreținere de corecție și celelalte componente au parte de o sarcină de întreținere preventivă de 30 min; în tot acest timp t=3 ore de reparații, sistemul este considerat nefuncțional;
La timpul t=10.667 ore, motorul 1 a fost restaurat;
La timpul t=13.989 ore, motorul 3 se defectează în configurația de zbor „Zbor_croazier ă” și rămâne defect pân ă când ajunge în atelierul de repara ții; elicopterul însă își păstrează cursul de
zbor deoarece atât pentru configura ția „Zbor_croazier ă” cât și pentru „Aterizare” are nevoie doar de 2/3 motoare; elicopterul ajunge cu succes în atelierul de reparații unde suferă reparații a motorului 3 și întrețineri preventive asupra celorlalte componente;
La timpul t=17.250 ore, motorul 3 este restaurat;
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR 92
La timpul t=25.417 ore, în configurația „Zbor_croazier ă”, motorul 2 se defecteaz ă, însă elicopterul continuă zborul;
La timpul t=28.455ore, motorul 1 se defectează, astfel că nu mai sunt valabile 2/3 motoare pentru configuratia „Zbor_croazier ă”, iar elicopterul intr ă într-o aterizare forțată;
La timpul t=28.955 ore, aterizarea forțată se incheie cu succes iar ambele motoare intră în configurația „Repara ții” unde sunt restaurate; restul componentelor sufe ră sarcina de întreținere preventivă;
La timpul t=31.955 ore, cele două motoare sunt în totalitate restuarate;
La timpul t=55.854 ore, sistemul de navigație se defectează, elicopterul intră în configurație „Aterizare_for țată”, aceasta nu se desf ășoară cu succes iar simularea se încheie.
Din punct de vedere al fiabilității, putem observa în graficul din Fig. 2.8 că are o descreștere oarecum liniară și că la jumătatea timpului de simulare aceasta are o valoare de peste 50%.
Fig. 5.10. Diagrama de fiabilitate
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CAPITOLUL 5. MODELAREA SISTEMELOR NELINIARE PRIN SIMULAREA FAZELOR
93
Din graficul RS DECI – ReliaSoft's Downing Event Criticality Index – Fig 2.9, în traducere,
componenta care a dus la cedarea întregului sistem și intrarea acestuia în configurație de
„nefunc ționare”, se observ ă că acest lucru se datorează în principal motorului 1, cu o proporție RS
DECI = 84.998%, urmat de motorul 2, RS DECI = 6.847 %, motorul 3, RS DECI = 6.001 %, și
trenurile de aterizare 1 și 3 cu o valoare RS DECI sub 1%.
Fig 5.11. RS DECI
Universitatea Transilvania Brasov
Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CONCLUZII
94
CONCLUZII
Din punct de vedere al analizei CFD, concluziile sunt următoarele:
Presiunea maximă se află în bordul de atac, atinge valori foarte mari p=23099 Pa, iar viteza este egală cu v=0 m/s în această zonă.
Depresiunea maximă apare pe extrados în zona imediată a presiunii maxime, la aproximativ
20% din lungimea corzii.
Interacțiune palei cu aerul duce la disturbarea aerului cu mai bine de 1 m înainte de întâlnirea palei și cu mai bine de 2 metrii în spatele acesteia.
Zonele de recirculare sunt zone în care aerul perturbat tinde să se reîntoarcă în zona domeniului de rotație a palei și să mai fie încă o dată antrenat de acesta.
Zona de recirculare cea mai mare se găsește la capătul de pală, urmat de zona de recirculare dată de zona de interferență cu rotorul și în zona de prindere a palei în rotor.
Mărimea vortexului de aer generat de rotirea palelor devine tot mai mare pe măsură ce unghiul de pas colectiv crește.
Atât la cap ătul de pală, cât și la baza acesteia apar vărtejuri; vârtejul de la cap ătul palei atinge valori ale vitezei de formare de pân ă la v=224 m/s, adică 0.65 Ma, iar cel din zona încastrării palei atinge o viteză de formare de pân ă la v=22.37 m/s, adică 0.065 Ma, mică în comparație cu vârtejul de la capăt dar semnificativ pentru curgerea aerului.
Din punct de vedere al analizei FEA, concluziile sunt următoarele:
Tensiunile von Mises apar pe lonjeron în zona de trecere de la profilul pătratic la profilul aerodinamic și în zonele de îndoiri ale palei datorită apariției concentratorilor de tensiune.
Întăritura bordului de fugă este componenta care este cea mai solicitată după lonjeron datorită
dimensiunilor foarte mici în comparație cu celelalte componente.
Universitatea Transilvania Brasov
Facultatea Inginerie Tehnologică și Management Industrial
CONCLUZII
95
3. Utilizând acelea și materiale, aplicând acelea și forțe pe ambele pale în aceleași zone, din analiză se observă că diferența între cele două pale nu este foarte diferită: din punct de vedere al deplasărilor, diferența este de aproximativ 2 mm și crește lent odată cu creșterea unghiului de pas general, pala neconvențională fiind cea care are o deplasare mai mare; din punct de vedere al tensiunilor von Mises, diferența între cele două pale atinge valori de pân ă la 1000 Pa, pala neconvențională fiind mai puțin tensionată; din punct de vedere al deformațiilor, acestea sunt mult prea mici pentru a fi luate în considerare, cea mai mare deformație fiind de ordinul 10-3.
În vederea obținerii probabilității de urmare a traiectoriei de succes și/sau pană a unui elicopter este nevoie de diagrama fazelor de fiabilitate.
Pentru a afla diagrama fazelor de fiabilitate este necesară realizarea diagramelor bloc a fiecărei componente a elicopterului, care în funcție de importanța lor, se impun condiții de funcționare a elicopterului.
Ori de câte ori un elicopter se afl ă în etapa de reparații, realizând activit ăți specifice în vederea remedierii unui anumit defect, se fac controale ale fiecăror componente ale elicopterului. Astfel se elimină sau cel puțin se micșorează pericolul de apariție a unei defectări în timpul funcționării aparatului.
Universitatea Transilvania Brasov Facultatea Inginerie Tehnologica
BIBLIOGRAFIE
96
BIBLIOGRAFIE
[POS 99] Postelnicu, A., Deliu, G., Udroiu, R., Elicoptere: caracteristici, performanțe și elemente de proiectare. Editura Albastră, Cluj – Napoca, 1999
[GIU 83] Giurgiuțiu, V., Elemente de aeroelasticitatea elicopterului. Studiul palei, Ed Tehnică, Bucuresti, 1983
[DEL 03] Deliu, G., Mecanica aeronavelor, Editura Albastră, Cluj – Napoca, 2003
[LEI 06] Leishman, J.G., Principles of Helicopter Aerodynamics, Cambridge University Press, 2006
[BIR 13] Biron, M., Thermoplastics and Thermoplastic Composites, Ed. Elsevier Ltd, 2013
[LI 08] Li, L., Structural Design of Composites Rotor Blades with Consideration of Manufacturing, Durability and Manufacturing Uncertainties, Georgia Institute of Technology, 2008
[HOL 83] Hollman, M., Composite Aircraft Design, published by Martin Hollman, 1983
[USA 76] Headquarters, US Army Material Command, Engineering Design Handbook. Helicopter Engineering. Part Two, 1976
[LEG 64] Legrand, F., Rotorcraft, Higher National School of Aeronautics, 1964
[MIL 67] Mil, M.L., Helicopters. Calculation and Design, National Aeronautics and Space Administration, 1967
[ARK C] Arkin, J.E., FEA Concepts: SW Simulation Overview, Course
[WWW 01] Composites, http://www.hexcel.com
[WWW 02] CFD Forum, http://www.cfd-online.com
[WWW 03] Eurocopter, http://www.eurocopter.com
[WWW 04] Reliability Software, http://www.reliasoft.com
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: 1.1 SCURT ISTORIC AL DEZVOLTĂRII ELICOPTERULUI Încă din antichitate și evul mediu, încercarea de desprindere de la pământ și zborul propriu zis a… [310833] (ID: 310833)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.