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Vibrazioni degli elicotteri

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CARICHI AL MOZZO. Risoluzione: metodo Harmonic-Balance. PZT COME SMORZATORI PASSIVI. 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]. Posizionamento dei piezoelettrici:

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CARICHI AL MOZZO

Risoluzione:metodoHarmonic-Balance

PZT COME SMORZATORI PASSIVI

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]

Posizionamento dei piezoelettrici:

Valutazione di 5 configurazioni

Sintonizzazione nell’intorno di 2/rev (38° modo proprio)

Le matrici M,C,K dipendono esplicitamente dallo stato e da Ψ = Ωt.

Separando la parte costante da quella non lineare e tempo variante

RIDUZIONE DELLE VIBRAZIONI

CENNI DI AEROELASTICITA’ DEL ROTORE

Conclusioni

E’ possibile determinare il livello vibratorio della fusoliera:

Carico alla radice m-ma pala (m=1 ... N) funzione periodica di Ψm = Ψ+mΔΨ (ΔΨ = 2π/N)

Conversione dell’energia di deformazione in energia elettrica e dissipazione in circuiti resistivi o induttivi collegati ai morsetti del dispositivo (Effetto piezoelettrico diretto)

Si sono considerati i carichi al mozzo alle armoniche 2/rev e 4/rev

Per la sintonizzazione dei piezoelettrici è necessaria la conoscenza dei modi di vibrazione propria del modello di elicottero nell’intorno delle armoniche considerate

Hp: periodicità del carico

Possibilità di esprimere forzante e coordinate generalizzate in serie di Fourier, utilizzando Nfoutermini nello sviluppo

ELEVATO LIVELLO VIBRATORIO

Vibrazioni degli elicotteri

TECNICHE DI RIDUZIONE

Controllo attivo:

efficiente riduzione dei carichi vibratori

in condizioni di progetto

aumento di peso

elevati consumi

manutenzione e controllo

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.

Equazioni di equilibrio dinamico

Carichi aeroelastici

  • diminuzione del comfort
  • aumento del carico di lavoro del pilota
  • affaticamento strutturale
  • malfunzionamento degli equipaggiamenti elettronici
  • difficoltà nelle operazioni di puntamento

Hp: pala equilibrata

Fonti di vibrazione

  • ROTORE
  • pendabs
  • RBA
  • HHC
  • IBC

Taglio verticale

m-ma pala

Caratteristiche PZT:

modello QP10N (ACX)

Relazioni cinematiche

Leggi costitutive

Modello aerodinamico

variazione dei carichi aerodinamici sulla pala durante rotazione in volo avanzato

Taglio nel piano

Side force

Drag force

Discretizzazione alla Galerkin

Zone di inserimento

dei dispositivi:

  • Rotoreprincipale
  • Rotore di coda
  • Motore
  • Trasmissione

Problema diretto:

assegnate le leggi di controllo allo swash-plate

Riduzione del livello vibratorio del 36.5% in 4 condizioni di volo differenti tramite l’utilizzo di 734 elementi piezoelettrici

Superficie totale occupata del 3.67%.

Incremento di peso molto contenuto (0.148%)

Riduzione passiva:

riduzione dell’ampiezza di vibrazione

risultante sulla fusoliera

aumento di peso

adattabilità nulla

Sintonizzazione spaziale

Sintonizzazione in frequenza

  • pavimentazione
  • tetto
  • muso
  • piastre laterali
  • Procedura iterativa:
  • Valutazione delle forze generalizzate e calcolo dei coefficienti di Fourier (c0 c1 d1..)
  • Ricostruzione dello stato tramite il calcolo dei relativi coefficienti di Fourier (a0 a1 b1..)
  • Valutazione di un criterio di arresto

Il mozzo si comporta da FILTRO trasmettendo solo le armoniche a pN/rev

Momento

torcente

  • FUSOLIERA
  • assorbitore dinamico
  • Nodamatic
  • ACSR
  • DAVI

VIBRAZIONE:risposta oscillatoria dell’elicottero 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 dell’elicottero.

Materiali piezoelettrici:

BASSO COSTO

INCREMENTO DI PESO MOLTO CONTENUTO

AFFIDABILITA’ ED EFFICIENZA

FACILITA’ DI IMPIEGO

Configurazione delle pale in rotazione

Carichi alla radice delle pale

interazione del suo campo aerodinamico con fusoliera, rotore di coda, piani di coda

  • semplificazione del problema di riduzione
  • le armoniche più basse sono cancellate al mozzo

Determinazione del livello vibratorio della fusoliera alle armoniche pN/rev trasmesse al mozzo

Modo # 38 (f = 14.132 Hz)

Modo # 69 (f = 28.147 Hz)

[W.Johnson – Helicopter Theory]

2/rev = 14.123 Hz

4/rev = 28.246 Hz

Momenti di

Picchiata e rollio

CASO INDUTTIVO (RLC)

Analogia formale con l’assorbitore dinamico

Ottimizzazione dei parametri elettrici del sistema PZT

CASO RESISTIVO (RC)

MODELLIZZAZIONE DEI PZT AGLI E.F.

Rigidezza dipendente dalla frequenza: (analogia viscoelastica)

Circuito induttivo

Circuito resistivo

Scelta di R in modo tale da avere il massimo smorzamento alla frequenza ωn

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