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Integrated Rotorcraft design for Vibration Suppression Giuliano Coppotelli, Franco Mastroddi Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale ed Astronautica Via
Integrated Rotorcraft design for Vibration Suppression Giuliano
Coppotelli, Franco Mastroddi Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale ed Astronautica Via Eudossiana, 18 00184 Roma
[email protected] Abstract In order to design an
efficient and safe rotary-wing aircraft, it is essential that the
numerical prediction, both related to the dynamics of the vehicle
and to its flight mechanics, fits well the experimental data gained
during the so-called iron-bird phase and the during the flight-test
phase. The actual commercial codes still need further improvements
regarding the accuracy of the numerical results with respect to the
experimental data. The lack of model accuracy is essentially due to
(e.g., for the dynamic model of the rotorcraft) the simplified
assumptions considered on the base-analytical models (this is
particularly true if non-conventional rotor e.g., in terms of
blade/hub connection - are considered). The participants of the
present research unit have been involved in the fields of unsteady
aerodynamics modeling for rotor aeroelasticity and structural
dynamics modeling of blades for aeroelasticity and cabin
vibration-level description. In the framework of the ongoing
research activity related to the integrated analysis and design for
rotorcraft, the development of analytical model to overcome the
actual gap in the prediction of the vibration levels with
particular attention on the tilt-rotor dynamic problem and to
assure a higher cabin comfort together with higher efficiency of
the whole vehicle, is proposed. As a consequence of this research
activity, the problem of the reduction of the vibration level will
be then considered. Among the different techniques available in the
literature, the effectiveness of those based on the use of the
piezoelectric (PZT) devices will be investigate both numerically
and experimentally. Considering different classes of helicopters,
an optimization procedure, aimed to identify the number and the
location of the PZT devices, will be developed. Taking advantages
on the previous work done by the proponent research group on system
identification problem using output only data, and by the fully
equipped experimental set-up available, the numerical results will
be validated at subsystem level at least. Vibrazioni degli
elicotteri Fonti di vibrazione Rotore principale Rotore di coda
Motore Trasmissione variazione dei carichi aerodinamici sulla pala
durante rotazione in volo avanzato interazione del suo campo
aerodinamico con fusoliera, rotore di coda, piani di coda
VIBRAZIONE: risposta oscillatoria dellelicottero e di tutti i
componenti non rotanti alle forze e momenti al mozzo. In volo
avanzato le forze alla radice della pala vengono trasmesse al mozzo
e provocano una vibrazione periodica dellelicottero. [W.Johnson
Helicopter Theory] ELEVATO LIVELLO VIBRATORIO diminuzione del
comfort aumento del carico di lavoro del pilota affaticamento
strutturale malfunzionamento degli equipaggiamenti elettronici
difficolt nelle operazioni di puntamento TECNICHE DI RIDUZIONE
ROTORE pendabs RBA HHC IBC FUSOLIERA assorbitore dinamico Nodamatic
ACSR DAVI RIDUZIONE DELLE VIBRAZIONI Controllo attivo: efficiente
riduzione dei carichi vibratori in condizioni di progetto aumento
di peso elevati consumi manutenzione e controllo Riduzione passiva:
riduzione dellampiezza di vibrazione risultante sulla fusoliera
aumento di peso adattabilit nulla Materiali piezoelettrici: BASSO
COSTO INCREMENTO DI PESO MOLTO CONTENUTO AFFIDABILITA ED EFFICIENZA
FACILITA DI IMPIEGO CENNI DI AEROELASTICITA DEL ROTORE Equazioni di
equilibrio dinamico Relazioni cinematiche Leggi costitutive Modello
aerodinamico Discretizzazione alla Galerkin Le matrici M,C,K
dipendono esplicitamente dallo stato e da = t. Separando la parte
costante da quella non lineare e tempo variante Problema diretto:
assegnate le leggi di controllo allo swash-plate Configurazione
delle pale in rotazione Carichi alla radice delle pale Risoluzione:
metodo Harmonic-Balance Hp: periodicit del carico Possibilit di
esprimere forzante e coordinate generalizzate in serie di Fourier,
utilizzando N fou termini nello sviluppo Procedura iterativa: 1.
Valutazione delle forze generalizzate e calcolo dei coefficienti di
Fourier (c 0 c 1 d 1..) 2. Ricostruzione dello stato tramite il
calcolo dei relativi coefficienti di Fourier (a 0 a 1 b 1..) 3.
Valutazione di un criterio di arresto CARICHI AL MOZZO Carico alla
radice m-ma pala (m=1... N) funzione periodica di m = +m ( = 2/N)
Hp: pala equilibrata Taglio verticale m-ma pala Taglio nel piano
Side force Drag force Momento torcente Momenti di Picchiata e
rollio Il mozzo si comporta da FILTRO trasmettendo solo le
armoniche a pN/rev semplificazione del problema di riduzione le
armoniche pi basse sono cancellate al mozzo Si sono considerati i
carichi al mozzo alle armoniche 2/rev e 4/rev Per la
sintonizzazione dei piezoelettrici necessaria la conoscenza dei
modi di vibrazione propria del modello di elicottero nellintorno
delle armoniche considerate Modo # 38 (f = 14.132 Hz)Modo # 69 (f =
28.147 Hz) 2/rev = 14.123 Hz 4/rev = 28.246 Hz Posizionamento dei
piezoelettrici: Valutazione di 5 configurazioni Sintonizzazione
nellintorno di 2/rev (38 modo proprio) Zone di inserimento dei
dispositivi: pavimentazione tetto muso piastre laterali Per il
calcolo del livello vibratorio in cabina sono stati considerati 10
punti sparsi su tutta la fusoliera, nelle zone di maggiore
interesse [M.Nash, 2003] Conclusioni Valutazione di una serie di
strategie di posizionamento di dispositivi piezoelettrici di
riduzione passiva delle vibrazioni di un modello di elicottero agli
elementi finiti. Scelta della strategia migliore tra quelle
proposte, per la riduzione delle vibrazioni alle frequenze discrete
2/rev e 4/rev. Riduzione del livello vibratorio del 36.5% in 4
condizioni di volo differenti tramite lutilizzo di 734 elementi
piezoelettrici Superficie totale occupata del 3.67%. Incremento di
peso molto contenuto (0.148%) E possibile determinare il livello
vibratorio della fusoliera: Determinazione del livello vibratorio
della fusoliera alle armoniche pN/rev trasmesse al mozzo Carichi
aeroelastici PZT COME SMORZATORI PASSIVI Conversione dellenergia di
deformazione in energia elettrica e dissipazione in circuiti
resistivi o induttivi collegati ai morsetti del dispositivo
(Effetto piezoelettrico diretto) Sintonizzazione in frequenza
Sintonizzazione spaziale Caratteristiche PZT: modello QP10N (ACX)
CASO RESISTIVO (RC) Rigidezza dipendente dalla frequenza: (analogia
viscoelastica) Scelta di R in modo tale da avere il massimo
smorzamento alla frequenza n CASO INDUTTIVO (RLC) Analogia formale
con lassorbitore dinamico Ottimizzazione dei parametri elettrici
del sistema PZT MODELLIZZAZIONE DEI PZT AGLI E.F. Circuito
resistivo Circuito induttivo