KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT Instytut Lotnictwa, Warszawa CNT, Pracownia Kompozytów, www.ilot.edu.pl dr inż. Wojciech Chajec e-mail: chajec@ilot.edu.pl; chajec@rz.home.pl Obliczeniowa postać precesji napędu hipotetycznego motoszybowca Analiza precesji samowzbudnej (whirl-flutter) chowanego napędu motoszybowca elektrycznego KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT Kraków, 10-11 maja 2012 r.

Obiekt analizy: Motoszybowiec elektryczny AOS-71 Dane techniczne: Rozpiętość: 16,4 m Max. masa w locie: 600 kg Napęd: trójfazowy silnik synchroniczny Sineton A37K015 mocy 30 kW z dwułopatowym śmigłem stałym. VD = 290 km/h, VNE = 260 km/h, VPE = 173 km/h Temat projektu badawczego: Wielofunkcyjny dwumiejscowy motoszybowiec nowej generacji. Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Inicjatywy Technologicznej I w latach 2008 do 2012r. Głównym cel: Opracowanie koncepcji aerodynamicznej, konstrukcyjnej i technologicznej, zbudowanie prototypu oraz przeprowadzenie wstępnych badań „Wielofunkcyjnego dwumiejscowego motoszybowca nowej generacji", charakteryzującego się nowoczesnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi i technologicznymi oraz wyjątkowymi właściwościami eksploatacyjnymi umożliwiającymi prowadzenie badań w locie. Beneficjent: Politechnika Rzeszowska, współrealizator: Politechnika Warszawska. Kierownik projektu: prof.dr hab.inż. Marek ORKISZ – Rektor Politechniki Rzeszowskiej. Główny konstruktor: mgr inż. Wojciech FRĄCZEK, współrealizator konstrukcji lotniczych serii PW. KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT , Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Motoszybowiec AOS-71 podczas badań rezonansowych w Instytucie Lotnictwa, wrzesień 2011 r. (rutynowe badania w celu wykonania analiz flatteru dla konfiguracji ze schowanym napędem – duże prędkości) KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Motoszybowiec AOS-71 podczas badań rezonansowych w Instytucie Lotnictwa, wrzesień 2011 r. (konfiguracja z wysuniętym napędem) KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Motoszybowiec AOS-71 podczas badań rezonansowych w Instytucie Lotnictwa, wrzesień 2011 r. (wzbudzanie ze śmigła) KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Obliczenia precesji samowzbudnej w systemie MSC.Nastran Bibliografia: 1. J. C. Houbolt, W. H. Reed, Propeller-Nacelle Whirl Flutter, Journal of the Aerospace Sciences, 1962 2. W. P. Rodden, T. L. Rose, Propeller/Nacelle Whirl Flutter Addition to MSC/Nastran, The MacNeal-Schwendler Corporation, Los Angeles, CA. Znane: 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝜑, θ, ψ – składowe przemieszczeń i obrotów węzła O w środku tarczy śmigła oraz ich pochodne po czasie Szukane: 𝐹 𝑦 – siła boczna, 𝐹 𝑦 – siła pionowa, M – moment pochylający, N – moment odchylający z Ω y x O V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Siły działające na wirujący napęd Oznaczenia: 𝐹 𝑦 – siła boczna, 𝐹 𝑦 – siła pionowa, M – moment pochylający, N – moment odchylający 𝑥, 𝑦, 𝑧, φ, θ, ψ – składowe przemieszczeń i obrotów węzła w środku tarczy śmigła (kropka oznacza pochodną po czasie) Siły giroskopowe 𝑀 𝑁 =Ω 0 𝐼 𝑥 −𝐼 𝑥 0 θ ψ Ω – prędkość obrotowa śmigła 𝐼 𝑥 – moment bezwładności śmigła i elementów wirujących KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Siły aerodynamiczne na wirującej tarczy śmigła 𝐹 𝑦 𝐹 𝑧 𝑀 𝑅 𝑁 𝑅 =−2𝜌 Ω 𝑐 𝑟 𝑆 𝐽 1 −𝐼 1 𝐼 2 𝐽 2 𝐼 1 𝐽 1 −𝐽 2 𝐼 2 𝐽 2 −𝐼 2 𝐼 3 𝐽 3 𝐼 2 𝐽 2 −𝐽 3 𝐼 3 θ𝑉+ 𝑧 −𝑤 ψ𝑉− 𝑦 + 𝑣 θ 𝑅 ψ 𝑅 𝑅 – promień tarczy śmigła, 𝑆=𝜋 𝑅 2 , 𝑐 𝑟 – cięciwa odniesienia łopaty śmigła V – prędkość lotu, 𝜌 – gęstość ośrodka 𝐼 1 , 𝐼 2 , 𝐼 3 , 𝐽 1 , 𝐽 2 , 𝐽 3 – bezwymiarowe całki liczone po rozpiętości łopaty zależne od obrysu łopaty, posuwu śmigła, funkcji Theodorsena (częstość zredukowana zależy od promienia, cięciwy Ω i V) i lokalnej wartości Ma; proporcjonalne do d 𝑐 𝑧 /da, wydłużenia łopaty i liczby łopat. w, v – opływ indukowany przez elementy aerodynamiczne KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Siły aerodynamiczne i giroskopowe (dla ruchu harmonicznego) wprowadza się do obliczeń jako: 𝐹 𝑦 𝐹 𝑧 𝑀 𝑁 =[𝐴𝐸𝑅𝑂𝑆+𝑖 𝐴𝐸𝑅𝑂𝐵] 𝑦 𝑧 θ ψ Macierze 𝐴𝐸𝑅𝑂𝑆 (sztywność) i 𝐴𝐸𝑅𝑂𝐵 (tłumienie lepkie) są rzeczywiste i dla zadanego śmigła zależą od: 𝑉, prędkości dźwięku, 𝜌 𝐻 , Ω , 𝐼 𝑥 . Dla serii wartości 𝑉 i ustalonych pozostałych parametrów: Dane śmigła PROPM.EXE DMIG AEROS, AEROB KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Model obliczeniowy napędu motoszybowca AOS-71 GRID 999 (środek tarczy śmigła) GRID 992 (sztywny szybowiec) KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Weryfikacja modelu napędu motoszybowca AOS-71 przez porównanie z wynikami badań rezonansowych GRID 999 (środek tarczy śmigła) KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Porównanie obliczonych postaci drgań z wynikami pomiarów - postać obliczeniowa - wynik pomiaru 8,09 Hz f = 8,09 Hz 14,5 Hz KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Porównanie obliczonych postaci drgań z wynikami pomiarów - postać obliczeniowa - wynik pomiaru KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Tworzenia danych DMIG w programie PROPMW.EXE r = R c(r) r r = 0 KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Plik danych do obliczeń dla H = 0, Ix = 0,715 kgm2 i n = 1900 obr/min Osobny SUBCASE dla każdej prędkości Model do obliczenia drgań własnych Dane FLUTTER dla każdego SUBCASE Dane FLFACT zawierające gęstość i l. Macha dla H = 0 Dane DMIG dla H = 0, Ix = 0,715 kgm2 i n = 1900 obr/min KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Obliczenia precesji samowzbudnej z pominięciem tłumienia wewnętrznego dla n = 800 obr/min, H = 0 i 𝐼 𝑥 = 0,715 kg m2 g P R f R P V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Obliczenia precesji samowzbudnej dla n = 800 obr/min i H = 0, dla dwu wartości momentu bezwładności elementów wirujących: 𝐼 𝑥 = 0,375 kg m2 𝐼 𝑥 = 0,715 kg m2 g P P R f R R P V P V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Obliczenia dla n = 1900 obr/min i 𝐼 𝑥 = 0,715 kg m2 dla wysokości : H = 0 H = 3000 m g P P R f P R P V P V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Zależność od prędkości obrotowej niedoboru tłumienia g (obliczenia wykonano z pominięciem tłumienia wewnętrznego) oraz częstości drgań dla ustalonej wysokości H = 0 i prędkości VPE = 173 km/h f, Hz g n, obr/min KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Zależność g i f od prędkości obrotowej dla wysokości H = 3000 i ustalonej prędkości: V = 173 km/h EAS, V = 173 km/h TAS = 149 km/h EAS KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Wniosek: Analiza z wykorzystaniem modelu ograniczonego do zespołu napędowego (izolowanego lub mocowanego podatnie do motoszybowca traktowanego jako bryła sztywna) jest zbyt uproszczona: Zbyt mała zgodność drgań własnych modelu i obiektu Brak uwzględnienia aerodynamiki motoszybowca Pominięcie interferencji aerodynamicznej (najmniej ważne) W celu sprawdzenia, czy analiza taka jest możliwa wykorzystano istniejący dwupołówkowy belkowy model dynamiczny szybowca PW-6 i wykonano Obliczenia flatteru hipotetycznego motoszybowca (PW-6 + napęd AOS-71, bez masy akumulatorów). KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Wykorzystano model do obliczeń szybowca PW-6 wykonany w 2005 r. do obliczeń flatteru latającego laboratorium PW-6eb Model dynamiczny i 19. postać własna 12,29 Hz Model aerodynamiczny (elementy CAERO1) KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Obliczenia flatteru szybowca PW-6 - do porównania (stery trzymane, Ma = 0, H = 3000 m, uwzględnione tłumienie wewnętrzne) g B L Postać flatteru L f, Hz B L B V Postać flatteru B KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Obliczenia flatteru szybowca PW-6 (stery trzymane, Ma zgodne z V, H = 0 m, pominięte tłumienie wewnętrzne) - bez napędu - z napędem, n = 1900 obr/min. g g L B L P R B f, Hz f, Hz B L R L B B V P V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Postać flatteru P (precesja napędu) (PW-6 z napędem, z napędem, n = 1900 obr/min, stery trzymane, Ma zgodne z V, H = 0 m) g L P B f, Hz R L P V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Postać flatteru L - flatter lotkowy, z udziałem drgań napędu (PW-6 z napędem, z napędem, n = 1900 obr/min, stery trzymane, Ma zgodne z V, H = 0 m) g L P B f, Hz L L B P V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Postacie flatteru B i R (PW-6 z napędem, z napędem, n = 1900 obr/min, stery trzymane, Ma zgodne z V, H = 0 m) g L P R B f, Hz R B L V KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.

KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r. Instytut Lotnictwa, Warszawa CNT, Pracownia Kompozytów, www.ilot.edu.pl dr inż. Wojciech Chajec e-mail: chajec@ilot.edu.pl; Dziękuję za uwagę! KONFERENCJA MSC.SOFTWARE I SIMUFACT, Kraków, 10-11 maja 2012 r.