جدول۶-۷: مشخصات بال طراحی شده ۱۲۰
جدول۶-۸: سرعت و فرکانس فلاتر بال دارای شکستگی ۱۲۲
جدول۶-۹: سرعت و فرکانس فلاتر نسبت به تغییرات λدر ارتفاع ۵۱۸۲ متر ۱۲۵
جدول۶-۱۰: سرعت و فرکانس فلاتر نسبت به تغییرات λدر ارتفاع ۱۰۰۵۸ متر ۱۲۵
فصل اول
مقدمه
۱-۱- پیشگفتار
مدل­سازی و تحلیل سازه­های مختلف هواپیماهای امروزی، از مهمترین مسائل صنعت هواپیمایی می­باشد. در اصول طراحی کلاسیک و مدرن، طراحی بال از اولین اقدامات در طراحی یک هواپیما به شمار می ­آید و این قسمت از هواپیما را معمولا قبل از بدنه، دم و دیگر اجزای هواپیما طراحی می­ کنند. با توجه به نقش اساسی بال در تولید نیروی برآ طراحی و تحلیل بال یکی از اساسی­ترین موضوعاتی است که یک طراح هواپیما با آن درگیر است. با توجه به اینکه سازه بال تحت مانورهای مختلف پروازی در معرض بارهای مختلف قرار می­گیرد، در اجزای مختلف این سازه تنش­های مختلفی ایجاد می­ شود. برای این تحلیل، نرم افزارهای مختلفی که عملکرد آن­ها بر مبنای روش اجزاء محدود است، موجود می­باشد.

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

روش اجزای محدود، یک روش حل عددی است که برای بسیاری از مسایل مهندسی قابل استفاده است. مسایل پایدار، گذرا، خطی و غیرخطی در تحلیل تنش، انتقال حرارت، الکترومغناطیس و غیره می­توانند با بهره گرفتن از روش اجزای محدود استفاده شوند. بدون شک افتخار داشتن عنوان اولین کسی که این روش را برای حل مسایل مهندسی ابداع نمود، به کورانت^[۱]می­رسد. او در مقاله­ای که در سال ۱۹۴۳ منتشر شد، از درون­یابی تکه­ای چندجمله­ای­ها، در مدلی که به نواحی مثلثی تقسیم شده بود برای حل مساله پیچش استفاده کرد. گام بعدی در ایجاد روش اجزای محدود را می­توان فعالیت­های شرکت بوئینگ در نظر گرفت. در سال ۱۹۵۰ شرکت بوئینگ برای مدل­سازی بال­های هواپیما از المان­های مثلثی استفاده کرد. با این همه، هنگامی که در سال ۱۹۶۰ شخصی به نام کلاگ^[۲]در مقاله­ای اصطلاح اجزای محدود را به کار برد، این روش عمومیت یافت. این مقاله کاربرد اجزای محدود ساده (میله­های مفصل شده و ورق مثلثی) برای تحلیل سازه هواپیما را نشان می­دهد]۱و۲[. همراه با توسعه کامپیوترهای دیجیتالی با سرعت­های بالا، کاربرد روش اجزای محدود هم با نرخ فزاینده­ای پیشرفت نمود.
پدیده ­های آیروالاستیسیته استاتیکی و دینامیکی، مربوط به اندرکنش بین نیروهای سازه­ای و آیرودینامیکی است که منجر به ایجاد تغییر در توزیع بارهای آیرودینامیکی به عنوان تابعی از سرعت جریان می­ شود. پدیده ­های ناپایداری استاتیکی و دینامیکی، واگرایی و فلاتر، می­توانند باعث از هم گسیختگی سازه­های هوایی شوند. بر اساس آنالیز پایداری خطی، نوسانات بالای آنچه که سرعت فلاتر نامیده می­ شود، میرا نمی­شوند و دامنه آنها به صورت نامحدود افزایش می­یابد و به فروپاشی دم یا بال منتهی می­ شود.
۱-۲- تاریخچه
از ابتدای ابداع هواپیما باتوجه به نقش اساسی بال در ساختمان هواپیما و تولید نیروی برا مطالعات و تحقیقات فراوانی بر روی بال انجام گرفته است. عموما این تحقیقات را می­توان در زمینه ­های آیروالاستیسیته و بررسی پدیده فلاتر و واگرایی بال، بهینه سازی، تحلیل تنش استاتیکی و دینامیکی بال و تاثیر مواد مواد مرکب بر سایر پارامترهای طراحی بال نام برد.
تا کنون در ارتباط با تحلیل بال هواپیما با توجه به بارگذاری­های دینامیکی مختلف کارهای گوناگونی انجام شده و کتاب­های بسیاری نیز در این زمینه منتشر گردیده است[۳-۵]. ناسا تحقیقات گسترده­ای در این زمینه انجام داده است که می­توان به[۶] اشاره کرد. در آغاز دهه ۹۰ تحقیق بر روی اثرات بارگذاری­های دینامیکی مختلف بر روی بال به صورت گسترده­تری پیگیری شد. در سال ۱۹۶۸ تحلیل تنش سازه­های هوایی تحت نیروهای ضربه­ای بررسی شد و تاثیر این نیروها بر روی تغییر شکل سازه مشخص گردید[۷]. در سال ۱۹۹۰ لیبرسکیو و نثیر^[۳] تحقیقی بر روی پاسخ پانل­های مواد مرکبی به انفجارهای صوتی انجام دادند[۸]. پاسخ دینامیکی سطوح هوایی با ساختار غیر خطی در سال ۱۹۹۲ بررسی شد[۹]. نحوه­ توزیع تنش بر روی بال مثلثی و رابطه بین زاویه عقب­گرد و تنش در لبه­های بال با روش فتوالاستیک توسط سوزوکی^[۴] به انجام رسید[۱۰]. طراحی بال­های فلزی و مواد مرکب هواپیما جهت دستیابی به چگونگی تاثیر مواد مرکب در وزن سازه و میزان تنش توسط کندی^[۵] و مارتین^[۶] مورد بررسی قرار گرفته است[۱۱]. موچٌاندی^[۷] و همکارانش با در نظر گرفتن آلیاژ آلومینیوم به عنوان جنس سازنده، تاثیر انواع سطح مقطع تیرک طولی و مخروطی شدن تیرک را با بهره گرفتن از روش اجزای محدود بر توزیع تنش، مورد بررسی قرار دادند[۱۲]. گائو^[۸] و همکارانش عملکرد دو نوع متفاوت سوراخ­ها و تقویت کننده­ های گوناگون در یک تیرک با سطح مقطع C شکل تحت بار برشی استاتیکی را بررسی کردند[۱۳]. چیت^[۹] و همکارانش تحلیل استاتیکی و دینامیکی بال بدون شکستگی دارای تیرک­های طولی و تیغه­های عرضی را با نرم افزار اجزای محدود انجام دادند. در این مطالعه، از المان پوسته برای پوسته و المان تیر برای تیرک­های طولی و تقویت کننده­ها استفاده شده است. آن­ها با تغییر ضخامت پوسته و همچنین تغیر در سطح مقطع تیرک­های طولی، تغییرات تنش و تغییر مکان را در طول بال مشاهده کردند[۱۴]. هاراکار^[۱۰] و همکارانش با قرار دادن بار­های مختلف روی بال معمولی، با بهره گرفتن از روش اجزای محدود تحلیل کمانشی و تنشی را انجام دادند. با بدست آوردن فاکتور کمانش کمتر از ۱ در پوسته بالایی نشان دادند که در این بال کمانش اتفاق نمی­افتد[۱۵]. اوزوزترک^[۱۱] تحلیل آیرودینامیکی، سازه­ای و آیروالاستیک یک هواپیمای بدون سرنشین را بررسی کرد. تحلیل سازه­ای بال تحت بارهای آیرودینامیکی حدی در دیاگرام V-n، با بهره گرفتن از مدل اجزای محدود انجام شده است. توزیع تنش فون مایسز برای بال و دم ساخته شده از مواد مرکب خاص را انجام داده و نتایج برای چند ماده از قبیل کربن اپوکسی و فایبرگلاس را ارائه دادند[۱۶]. همچنین تحقیقات زیادی در زمینه اصول بهینه­سازی ساختارهای مواد مرکب بال انجام گرفته است که می­توان به[۱۷و۱۸] اشاره کرد. در سال ۲۰۱۱ ژانگ^[۱۲] شبیه سازی عددی و طراحی بهینه یک بال به منظور یافتن بهترین مواد مرکب بال انجام داد[۱۹]. سازه­های بال با در نظر گرفتن مواد ایزوتروپیک و مواد مرکب توسط نرم افزار ANSYS تحلیل شده و بهترین جهت­گیری فیبرها در سازه مورد مطالعه قرار گرفته است[۲۰]. مطالعات قابل توجهی در زمینه بهینه­سازی سازه­های هوایی با محدودیت­های فلاتر، فرکانس طبیعی و تنش­های حالت دائمی انجام شده است[۲۱و۲۲]. سیوالد^[۱۳] یک روش مدل­سازی عددی برای پیکربندی بال دلخواه توسعه داد و یک ابزار شبیه سازی برای ارزیابی و پیش بینی جرم آن­ها به کار گرفت و جعبه بال با المان تیر غیرخطی مدل شده است[۲۳]. آنتیلا^[۱۴] عمر خستگی یک هواپیمای DHC-6 را با یک روش تحلیلی مناسب با تمرکز روی بال که به عنوان جزیی از هواپیما که بیشتر تحت خستگی بحرانی قرار دارد تخمین زد[۲۴]. کمار^[۱۵] و همکارانش، پیش بینی عمر خستگی برای رشد ترک در محل بیشینه تنش انجام دادند[۲۵].
در زمینه آیروالاستیسیته سازه­های هوایی نیز تحقیقات زیادی انجام شده است. فلاتر سازه‌های هوایی مساله‌ای بسیار قدیمی است و کتاب‌های بسیاری در این زمینه چاپ شده است[۳-۵، ۲۶ و ۲۷]. اولین مطالعات بر روی مساله فلاتر در سال ۱۹۱۶ توسط لانچستر^[۱۶] و همکارانش در جریان جنگ جهانی اول در مورد مسائل فلاتر بمب افکن هندی پاگ^[۱۷] انجام گرفته است[۴]. یکی از اولین مطالعات انجام گرفته در مورد آیروالاستیسیته بال هواپیما مقاله­ای از گلند^[۱۸] بود که سرعت فلاتر یک بال یک سر درگیر و یکنواخت را بدست آورد[۲۸]. در بسیاری از مقالات مطالعه رفتار آیروالاستیک یک بال یکنواخت و مستقیم تحت بارگذاری ناپایا ارائه شده است[۲۹]. هاسنر^[۱۹] و استین^[۲۰] فلاتر یک بال با زاویه عقب­گرد را در رژیم جریانی مادون صوت بررسی کردند[۳۰]. پاتیل^[۲۱] و هاجز^[۲۲] رفتار غیرخطی یک تیر یک سر درگیر را مورد بررسی قرار دادند[۳۱]. گرن^[۲۳] و لیبرسکیو فلاتر و واگرایی یک بال پیشرفته بازاویه عقب­گرد را که جرم­های متمرکز در طول و نوک خود حمل می­ کند، تحت بارگذاری ناپایا بدست آورده و مورد بررسی قرار دادند[۳۲]. کوین^[۲۴] و لیبرسکیو ناپایداری آیروالاستیک یک بال هواپیما را در جریان تراکم ناپذیر مورد بررسی قرار داده­اند. آن­ها بال را مانند تیر جدار نازک مواد مرکبی ناهمسانگرد مدل کرده و سرعت فلاتر را تعیین کردند[۳۳]. حدادپور و فیروزآبادی ناپایداری فلاتر بال هواپیما بدون اثر زاویه عقب­گرد را در یک جریان مادون صوت تحت اثر نیروهای ناپایا و شبه پایا بررسی کرده ­اند[۳۴]. معادلات خطی دینامیکی برای بال انعطاف پذیر تحت مانور صعود با زاویه عقب­گرد با اثر تغییر فرم برشی بال توسط فاضل­زاده و همکارانش استخراج شده و سرعت فلاتر تحت بارگذاری ناپایا بررسی شده است[۳۵]. رشیدی و فاضل­زاده تاثیر مدل بارگذاری شبه پایا و ناپایا و زاویه عقب­گرد بر سرعت فلاتر بال هواپیما را مورد بررسی قرار دادند[۳۶]. فاضل­زاده و همکارانش تاثیر مانور غلتشی بر ناپایداری استاتیکی و دینامیکی یک بال یک سر درگیر را بررسی کردند[۳۷]. مزیدی و همکارانش تاثیر موتور بر فلاتر بال هواپیما تحت مانور غلتشی را بررسی کردند[۳۸]. مزیدی و همکارانش تاثیر موتور با نیروی پیشران زمانمند بر پاسخ آیروالاستیک یک بال را بررسی کردند[۳۹]. پنگ^[۲۵] و همکارش در سال ۲۰۱۲ با درنظر گرفتن بالک در انتهای بال هواپیمای مسافربری، تاثیر این بالک بر روی سرعت و فرکانس فلاتر را مورد مطالعه قرار دادند[۴۰]. بیبین^[۲۶] و همکارانش در سال ۲۰۱۲ با مدل­سازی بال بدون شکستگی متشکل از تیرک­های طولی و تیغه­های عرضی، تحلیل تنش و فلاتر را برای این نوع بال در نرم­افزار اجزای محدود انجام دادند[۴۱].
۱-۳- هدف پایان نامه
در طراحی هواپیما، تحلیل استاتیکی و دینامیکی و پیدا کردن نقاط بحرانی حاصل از بارهای مختلف استاتیکی و دینامیکی و تاثیر پارامتر­های مختلف بر طراحی حایز اهمیت است. طی پروژه حاضر بال یک هواپیمای مسافربری با بهره گرفتن از نرم افزار CATIA مدل­سازی شده و تحلیل استاتیکی و دینامیکی این مجموعه مورد بحث قرار می­گیرد. تحلیل استاتیکی و دینامیکی در نرم افزار ABAQUS انجام خواهد شد. اثر پارامترهای طراحی نظیر پارامترهای فیزیکی و هندسی بال، بارگذاری­های مختلف، تاثیر مواد گوناگون بر استحکام و کاهش وزن سازه و در پایان مقادیر تنش و دیگر پارامتر­ها شبیه سازی عددی خواهند شد و نتایج حاصل مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهند گرفت. در پایان تحلیل پدیده فلاتر بال صورت می­گیرد. همچنین تاثیر پارامترهایی مانند زاویه عقب­گرد و ارتفاع پروازی روی سرعت و فرکانس فلاتر مورد بحث قرار می­گیرد.
۱-۴- محتویات پایان نامه
پایان نامه حاضر در هفت فصل تنظیم شده است، مقدمه و تاریخچه تحقیقات انجام شده در این فصل آورده شده است.
در فصل دوم ساختمان و اجزای سازنده بال هواپیمای مسافربری معرفی شده است.
در فصل سوم بارگذاری و همچنین بارهای وارد بر بال مطابق با استاندارد FAR 25 ارائه شده است.
در فصل چهارم روند تحلیل استاتیکی و دینامیکی در نرم افزار المان محدود و همچنین تحلیل عددی آیروالاستیک بال بیان شده است.
در فصل پنجم مدل­سازی کامپیوتری بال تشریح شده است.
در فصل ششم به تحلیل و بررسی نتایج پرداخته می­ شود.
در فصل پایانی نیز به نتیجه گیری و ارائه پیشنهادهایی برای انجام فعالیت­های آتی، پرداخته شده است.
فصل دوم
ساختمان بال و مواد سازنده
۲-۱- مقدمه
بال­ها اجزای اصلی تامین کننده نیروی برآ هستند. بال­های هواپیما از لحاظ آیرودینامیکی طوری طراحی شده ­اند تا نیروی برآ مورد نیاز پرواز را تامین نمایند. از بال علاوه بر تولید نیروی برآ، برای حمل سوخت و نصب موتورها استفاده می­ شود. بال­ها باید نیروی برآی کافی به منظور حمل تمام وزن هواپیما را تولید کنند. هدف اصلی یک بال بهینه تولید نیروی برآ و کاهش نیروی پسا در حد امکان است. با عبور جریان هوا از یک بال با زاویه حمله مناسب، گرادیان فشار بوجود می ­آید. ناحیه کم فشار در سطح بالایی بال، در حالیکه ناحیه پر فشار در سطح زیرین بال ایجاد می­ شود. تفاوت در فشار دو سطح، نیروی برآی رو به بالا را تولید می­ کند. در هواپیماهای تجاری، جنگنده­ها و جت­ها، بال تنها به منظور تولید نیروی برآ در طی فازهای مختلف پروازی طراحی نمی­شوند بلکه نقش­ها و وظایف دیگری نیز دارا می­باشند. در هواپیما­های تجاری بال­ها به عنوان مخزن اصلی برای سوخت مورد نیاز پرواز استفاده می­شوند. سوخت معمولا درون مخزنی که داخل جعبه بال^[۲۷] قرار دارد، حمل می­ شود. مخازن تعبیه شده در بال مستقیما سوخت را به موتورها می­رسانند. نصب این موتورها بر روی بال بارهای سازه­ای ایجاد می­ کند. در طول پرواز، بال در معرض نیروهای آیرودینامیکی، تندباد، نیروهای آیروالاستیک و سازه­ای قرار دارد. بنابراین بال باید از لحاظ آیرودینامیکی و سازه­ای به خوبی برای فراهم کردن کارایی بهینه در همه فازهای پروازی طراحی شود.

شکل۲-۱: اجزای سازنده بال]۴۲[

۲-۲- پیکربندی بال
بر اساس نوع ماموریت و رژیم­های پروازی متفاوت مادون صوت، در حد صوت، مافوق صوت و ماوراء صوت بال دارای پیکربندی و پلن فرم­های^[۲۸] متفاوتی است.
۲-۲-۱- انواع بال
شکل­های گوناگونی از بال با توجه به ماموریت هواپیما بر روی هواپیماها به کار می­روند. انواع بال­ها را می­توان از نظر شکل و محل نصب در دو دسته کلی تقسیم بندی کرد.
بال­ها غالبا از نظر شکل شامل پیکربندی­های زیر هستند:
۱- بال­های مستطیل شکل: به بال­هایی که اندازه طول وتر بال در تمام قسمت­ های بال یکسان است و شکل آن­ها به صورت مستطیل می­باشد، گفته می­ شود. این نوع بال مخصوص هواپیماهای سبک و کم سرعت است و از نظر ساختمانی بسیار ساده و هزینه ساخت آن کمتر از بال­های دیگر است.
۲-بال­های مثلثی: در شرایطی که لبه حمله بال­ها عمود بر بدنه نباشد زاویه­ای با آن تشکیل می­دهد که به آن زاویه عقب­گرد^[۲۹] بال می­گویند. اگر زاویه عقب­گرد بال حدود ۴۵ درجه و یا بیشتر باشد، آن را بال مثلثی می­نامند.