[HIGHLIGHT=#d7e3bc]طراحی سازه كامپوزيتي ملخ هواپيمای نيروی انسانی فرناس و و بهينهسازي در شرايط بارگذاري
چكيده
دراين مقاله، روند طراحي سازه ملخ هواپيماي نيروي انساني فرناس و نتايج حاصلاز آن ارائه شده است. شكل هندسي ملخ
و بارگذاريهاي آيروديناميكي به عنوانوروديهاي روند طراحي سازه در نظر گرفته شدهاند و در ابتدا بر اساس سازةملخ هواپيماهاي مشابه چيدمان اولية سازة ملخ به دست آمده است. روند طراحيسازه و بهينهسازي آن نيز بر پاية آناليز حساسيت قرار گرفته و پس از انجامآناليز حساسيت روي ابعاد و مشخصات سازة ايزوتروپ، با توجه به محدوديتهايطراحي (بيشينه جابجايي و تنش) نقطة بهينه براي طراحي انتخاب شده است. درادامه مدل كامپوزيتي مورد بررسي قرار گرفته و لايهچينی بهينه براي آن ازطريق آناليز حساسيت تعيين شده است.
مقدمـه
درهواپيماهاي نيروي انساني، نيروي محركة لازم براي برخاست و طي مسير وسيلةپرنده، توسط انسان تأمين ميشود. اين هواپيماها گرچه در نگاه اول صرفاًداراي كاربردهاي تفريحي هستند، اما در واقع تكنولوژيهاي مورد استفاده درآنها، در هواپيماهاي بدون سرنشين نظامي و غيرنظامي كاربرد دارد. چرا كهاين پرندهها داراي كارايي آيروديناميكي بسيار بالا و وزن نسبتاً پايينهستند. پايين بودن ميزان مجاز وزن سازه، روند طراحي سازه در اين هواپيماهارا تا حد زيادي پيچيده و مشكل ميكند.
درطراحي سازة قسمتهاي مختلف اين هواپيما، طراح سازه ميبايد با استفاده ازتجربيات خود و نگرشي كه به طراحي سازه دارد، تا جاي ممكن از اجزاي سازهايبا كارايي بالا و وزن كم استفاده كند تا بتواند علاوه بر ارضايمحدوديتهاي طراحي، وزن سازه را تا جاي ممكن كاهش دهد.
دراين پروژه، براي طراحي سازة ملخ، در ابتدا چيدمان كلي سازه بر اساس بررسيهواپيماهاي مشابه صورت گرفته است. سپس براي بهينهسازي طرح، روي برخي ازپارامترهاي طراحي آناليز حساسيت صورت گرفته است. از آنجايي كه انجامتحليلها روي مدل كامپوزيتي ملخ مستلزم صرف زمان زيادي است، ابتدا اينتحليلها روي مدل ايزوتروپ صورت گرفته و پس از تعيين برخي پارامترهاي مهمطراحي (ضخامت پوسته، ابعاد و شكل سطح مقطع اسپار) مدل كامپوزيتي موردبررسي قرار گرفته و تعداد لايهها و نحوة لايهچيني مناسب براي آن توسطآناليز حساسيت تعيين شده است.
همچنيناز آنجا كه ساخت قطعات سازهاي و تست آنها، همراه با هزينههاي نسبتاًزيادي است، تحليلهاي صورت گرفته در روند طراحي نيز بايد تا جاي ممكن،دقيق و واقعگرايانه باشند تا نتايج حاصل از طراحي نيز دقيق و قابل اعتمادباشند.
تعيين چيدمان كلي سازة ملخ
تعيينچيدمان كلي سازه، اولين قدم در طراحي سازه است. براي تعيين چيدمان كليسازه، طراح سازه بر اساس سازههاي مشابه و نيز تجربيات خود در طراحي، ونيز با در نظر گرفتن برخي روابط سادهسازي شدة طراحي، اولين تخمينها را درمورد اجزاي مورد نياز، شكل كلي و ابعاد سازه ميزند. در طول روند طراحي،عموماً شكل كلي سازه دچار تغييرات زيادي نميشود اما ابعاد و اندازههاهنگام تحليل و بهينهسازي تغيير خواهند كرد.
شعاعملخ اين هواپيما m1.5 بوده و ايرفويل آن از سري ايرفويلهاي اپلر بابيشينه ضخامت %10.22 است (E193 10.22%). در شكل 1، نماي ايزومتريك ملخنمايش داده شده است.
براساس بررسي سازة ملخ هواپيماهاي نيروي انساني مشابه و نيز سازة ملخ برخيهواپيماهاي ديگر ميتوان اجزاي زير را براي سازة ملخ (غير از هاب) برشمرد:
- پوسته
- اسپار
- ريب
- فوم و يا بالسا بين اسپار و پوسته
بنابراينچيدمان اولية در نظر گرفته شده براي سازة ملخ عبارت است از: پوسته، اسپارو فوم. در قسمتهاي بعد با انجام تحليلهاي مختلف روي مدل ايزوتروپ و مدلكامپوزيت سازه، مقادير بهينه براي ابعاد اين قسمتها تعيين ميشود.
آناليز حساسيت مدل ايزوتروپ ملخ و نتايج حاصل از آن
ازآنجايي كه تعيين رابطهاي تحليلي براي محاسبة بيشينه تنش و جابجايي درسازة نسبتاً پيچيدهاي مثل ملخ، دشوار و يا غيرممكن ميباشد، اساس روندبهينهسازي و تعيين ابعاد سازه بر اساس آناليز حساسيت قرار گرفته است. لذادر اين قسمت حساسيت نتايج تحليل (شامل بيشينه تنش، جابجايي و چرخش) رانسبت به تغيير ابعاد و ضخامتهاي اجزاي مختلف سازهاي مورد بررسي قرارميدهيم.
پارامترهاييكه در اين قسمت، حساسيت نتايج نسبت به آنها سنجيده ميشود عبارتند از:ضخامت پوسته و شكل و ابعاد اسپار. در تحليلهاي اين قسمت از نرمافزارANSYS 5.4 استفاده شده است.
آناليز حساسيت نسبت به ضخامت پوسته
بديهياست كه افزايش ضخامت پوسته باعث كاهش ميزان تنش و جابجايي در سازه خواهدشد. اما افزايش ضخامت پوسته بيش از حد مشخصي، تأثير ناچيزي در ميزان تنش وجابجايي خواهد داشت. لذا در ابتدا حساسيت نتايج نسبت به ضخامت پوستهميبايد مورد بررسي قرار گيرد. منحنيهاي مربوط اين آناليز براي پوستهايبا سختيهاي معادل سختي كامپوزيتهاي كربن و شيشه در شكل 2 آمده است. برطبق اين منحني، افزايش ضخامت پوستة كربني تا mm 0.5 باعث كاهش چشمگير تنشدر سازه ميشود و از اين نقطه به بعد افزايش ضخامت پوسته تأثير كمتري رويميزان تنش خواهد داشت. لذا ضخامت mm 0.5 براي ضخامت پوسته در نظر گرفتهشده است.
آناليز حساسيت نسبت به شكل مقطع اسپار
برايشكل مقطع اسپار دو گزينة عمده وجود دارند كه عبارتند از سطح مقطع دايروي ومستطيلي. اسپار مستطيلي نيز با زواياي مختلفي ميتواند در داخل ملخ قرارگيرد. لذا در اينجا نتايج حاصل از تحليل براي مقاطع دايروي و مستطيلي درزواياي مختلف با يكديگر مقايسه شدهاند. نتايج حاصل از اين تحليلها درشكل 3 آمده است. بر طبق اين نمودار، ميزان تنش در اسپار دايروي هموارهكمتر از اسپار مستطيلي است. لذا مقطع دايروي را براي اسپار انتخاب ميكنيم.
آناليز حساسيت نسبت به طول اسپار
ازآنجايي كه ميزان ممانهاي خمشي در قسمتهاي نزديك به نوك ملخ، نسبتاً كماست، استفاده از اسپار در اين قسمتها، ضرورتي ندارد. لذا براي كاهش وزنسازه، طول اسپار را تا جايي كه محدوديتهاي طراحي همچنان ارضا شوند كمميكنيم. در شكل 4 منحني تغييرات بيشينه تنش وانميسس نسبت به تغييرات طولاسپار آمده است. مطابق اين منحني تغييرات طول اسپار تا حدود cm25 تأثيرقابل توجهي روي ميزان تنش ندارد اما بعد از اين فاصله، كاهش طول اسپارباعث افزايش شديد تنش در سازه ميشود. لذا با توجه به اين منحني و نيزضريب اطمينان لازم، طول cm35 براي اسپار انتخاب شده است.
آناليز حساسيت مدل كامپوزيت ملخ و نتايج حاصل از آن
تعدادلايههاي در نظر گرفته شده براي پوستة ملخ با توجه به ضخامت بهينة انتخابشده در قسمت تحليلهاي ايزوتروپ، تعداد 4 لايه ميباشد. (ضخامت هر لايهالياف كربن برابر mm 0.125 است) لذا در اين بخش آناليز حساسيت تنها نسبتبه زاوية قرارگيري الياف صورت گرفته است.
لايهچينياولية در نظر گرفته شده براي پوسته، عبارت از 4 لاية كربن با زواياي 0،90، 45 و 135 درجه است. انتخاب اين چيدمان به دليل دسترسي به پارچههايكربني متشكل از دو لايه كربن كه نسبت به هم زاوية 90 درجه دارند، بودهاست. بنابراين با قرار دادن دو پارچة كربني روي يكديگر با زاوية 45 درجهنسبت به هم ميتوان به چيدمان فوق دست يافت. اما براي پيدا كردن زاويةبهينه، تمام لايهها به اندازة α چرخانده ميشوند و در واقع آناليز حساسيتنتايج نسبت به زاوية α صورت ميگيرد. در اين حالت زاوية الياف به ترتيببرابر است با:
- لاية اول: (α+0) درجه
- لاية دوم: (α+90) درجه
- لاية سوم: (α+45) درجه
- لاية چهارم: (α+135) درجه
باتوجه اين منحنيها، كمترين جابجايي نوك ملخ در حدود زاوية 30 درجه (لايةاول)، ايجاد ميشود. پارامتر تساي وو نيز همواره كمتر از 1 ميباشد و درطراحي نگرانكننده نيست. لذا زواياي زير براي لايهچيني پوسته انتخابشدهاند:
- لاية اول: 30 درجه
- لاية دوم: 120 درجه
- لاية سوم: 75 درجه
- لاية چهارم: 165 درجه
نتيجهگيري
ازآنجايي كه تحليل مواد مركب نسبت به مواد ايزوتروپيك مشكلتر و پيچيدهتراست، در ابتدا براي تعيين شكل كلي سازه و تعيين ابعاد قسمتهاي مختلف ازتحليل ايزوتروپيك استفاده شده است. اساس روند بهينهسازي در طراحي سازهنيز بر آناليز حساسيت گذاشته شد. به اين معني كه حساسيت نتايج نسبت بهمقادير مختلف براي ابعاد و جنس قسمتهاي مختلف سازه سنجيده شد و سپس براساس منحنيهاي حاصل از آناليز حساسيت نقطة بهينه براي طراحي انتخاب شد.
پساز انجام آناليزهاي ايزوتروپيك و طراحي مدل ايزوتروپ، آناليزهايارتوتروپيك روي مدل كامپوزيت به دست آمده صورت گرفت و بر اساس تحليلهايصورت گرفته نتايج قابل قبولي از اين تحليلها نيز به دست آمد. لذا پيشنهادميشود در روند طراحي سازههاي كامپوزيتي، در ابتدا براي به دست آوردنابعاد و شكل و تركيب كلي سازه، ابتدا تحليلهاي مورد نظر روي مدلايزوتروپيك صورت گيرد و پس از بهينهسازي آن، مدل ارتوتروپيك مدل موردتحليل و بررسي قرار گيرد.
شكلها و نمودارها
شكل 1- نماي ايزومتريك ملخ
شكل 2- تغييرات تنش وانميسس نسبت به تغييرات ضخامت پوسته
شكل 3- تغييرات بيشينه تنش وانميسس نسبت به تغييرات زاوية قرارگيري اسپار با مقطع مستطيل
شكل 4- تغييرات بيشينه تنش وانميسس نسبت به تغييرات طول اسپار
شكل 5- تغييرات پارامتر "تساي وو" و جابجايي نوك ملخ در زواياي مختلف α (زاوية اولين لاية پوسته)
شكل6- نحوة لايهچيني پوستة ملخ
قدرداني و تشكر
مقاله حاضر بخشي از پروژه كارشناسي مؤلف ميباشد كه زير نظر جناب آقاي دكتراويسی، عضو هيأت علمي دانشكده مهندسی هوافضاي دانشگاه صنعتي اميركبير،انجام گرفته است و در اينجا لازم ميدانم از ايشان به خاطر راهنمايی های ارزندهشان در طول انجام پروژه تشكر و قدردانی نمايم.
مراجع
- Results of Propeller Design (Propeller Aerodynamic Design)
- Aerodynamics for Engineering Students, by E.L.Houghton & P.W.Carpenter
- Manual of ANSYS 5.4
منبع:
امير توكلي كاشي (ceo@raha.co.ir)
[External Link Removed for Guests]