Uçak Kanatlarının Doğrusal Olmayan Dinamik Ve Aeroelastik Analizleri

Abstract

Bu çalışmada, uçak kanatlarının doğrusal olmayan dinamik ve aeroelastik davranışları incelenmiştir. İki çeşit kiriş modeli kullanılmıştır. Bunlar, Euler-Bernoulli kirişi ile ince cidarlı kompozit kiriştir. Her iki modelin, büyük deformasyonlar altında dinamik ve aeroelastik davranışları geometrik bakımdan doğrusal olmayan formülasyon kurularak tahmin edilebilmiştir. Kanat ilk olarak, eğilme ve burulma olmak üzere iki serbestlik dereceli Euler- Bernoulli kirişi olarak tasarlanmıştır. Doğrusal olmayan analizler için ise sertleşen yay modeli kullanılmıştır. Farklı ok açılı kanat konfigürasyonlarında aeroelastik denklemler hem sayısal hem de yarı-analitik yöntemler yardımı ile çözülerek limit çevrim titreşimleri incelenmiştir ve doğrusal olmayan frekanslar elde edilmiştir. Ok açısının, limit çevrim frekansları ve genlikleri üzerindeki etkisi incelenerek yorumlanmıştır. Ok açısı artıkça limit çevrim frekanslarının azaldığı görülmüştür. Ayrıca yüksek ok açılı kanatlarda (kiritik-üstü Hoph) çatallanmanın daha yüksek hızlarda ortaya çıktığı gözlenmiştir. İkinci olarak, uçak kanadı, geriye-doğru ok açılı, bikonveks kesite sahip ince cidarlı kompozit bir kiriş olarak modellenmiştir. Kiriş modeli; malzeme anizotropisi, enine-kayma ve çarpılma kısıtlaması gibi klasik olmayan birçok etkileri içermektedir ve bu sayede çok çeşitli elastik bağlaşımlar üretilmektedir. Daimi olmayan aerodinamik yükler hem zaman-tanım aralığında hem de frekans-tanım aralığında sırasıyla Wagner ve Theodorsen fonksiyonları kullanılarak ifade edilmiştir. Enine-kayma, elastik bağlaşım ve elyaf yönlenmesinin doğal frekanslar üzerindeki etkileri incelenmiştir. Farklı elyaf açıları için ıraksama ve çırpınma hızları hesaplanmıştır. Sonuç olarak, limit çevrim titreşimlerine ok açısının incelenerek yorumlanması bu çalışmanın literatüre sağladığı ana katkılardandır. Ek olarak, geometrik bakımdan doğrusal olmayan ince cidarlı kompozit kirişlerin dinamik formülasyonu türetilmiş ve doğrusal modelle karşılaştırarak yorumlanmıştır.

In this study, nonlinear dynamic and aeroelastic behavior of aircraft wings are investigated using two different beam models, namely Euler-Bernoulli beam and thinwalled composite beam. For both models undergoing large deformations, geometrical nonlinear formulation is established to predict the behavior accurately. First, the wing is modeled as an Euler-Bernoulli beam with two degrees-offreedom, i.e. plunge (vertical bending) displacement and pitch (torsion) angle. The unsteady aerodynamic lift & moment in an incompressible flow are expressed in the time domain by the use of Wagner’s function. Linear flutter analyses are conducted for several values of sweep angles to determine flutter boundaries and effect of sweep angle on LCO characteristics is delineated. The results indicate that LCO frequencies tend to decrease and supercritical Hopf bifurcation occurs at higher speeds when the sweep angle increases. Second, the wing is modeled as a sweptback thin-walled composite beam with biconvex cross-section. This beam model incorporates a number of non-classical effects such as material anisotropy, transverse shear deformation and warping restraint. Symmetric lay-up i.e. Circumferentially Asymmetric Stiffness (CAS) is adapted as structural coupling configuration to generate i) extension-chordwise bending-transverse shear and ii) flapwise bending-torsion-transverse shear coupled motion. The divergence and flutter speeds are evaluated for several ply angles and the divergence speed is determined to be the most critical speed for forward sweep configurations. The effects of transverse shear, elastic couplings and fiber-orientation on the natural frequencies, divergence and flutter instabilities are further discussed.