Helikopter uygulamaları için doğrusal olmayan dinamik titreşim yutucusu tasarımı ve analizi

Abstract

Helikopterler, sabit kanatlı hava araçlarına kıyasla rotor kaynaklı çok bileşenli ve geniş frekans aralığına yayılmış titreşimlere maruz kalmaktadır. Rotor temel frekansı ve harmoniklerinden gövdeye iletilen bu titreşimler; uçuş güvenliği, yapısal dayanım, görev ekipmanlarının ömrü ve mürettebat konforu üzerinde olumsuz etkilere sahiptir. Özellikle kabin içinde hissedilen periyodik titreşimler uzun süreli maruziyette ergonomik sorunlara ve yorgunluğa yol açabilmektedir. Bu nedenle helikopterlerde lokal titreşim kontrolü için dinamik titreşim yutucuları (DTY) yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak geleneksel doğrusal DTY'ler yalnızca ayarlandıkları dar bir frekans bandında etkili olup, çoklu harmonik içeren helikopter titreşim ortamında istenilen performansı sağlayamamaktadır. Bu tezde, bu sınırlamaların aşılması amacıyla hem tek eksenli hem de iki eksenli çalışabilen doğrusal olmayan dinamik titreşim yutucu (DODTY) tasarımı önerilmiş ve kapsamlı bir analiz gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, helikopter titreşim verileri incelenmiş; baskın harmonikler belirlenmiş ve doğrusal sistemlerin sınırlı etkinliği ortaya konmuştur. Bu kapsamda, hareket denklemleri durum uzayına dönüştürülmüş ve MATLAB ortamında Runge–Kutta yöntemi kullanılarak sayısal olarak çözülmüştür. Zaman düzleminde elde edilen yanıtlar hızlı Fourier dönüşümü ile frekans düzlemine aktarılmış, böylece yutucuların farklı harmoniklerdeki azaltım kabiliyeti değerlendirilmiştir. Doğrusal olmayan sistemin en uygun davranışı gösterebilmesi için genetik algoritma tabanlı bir optimizasyon gerçekleştirilmiş ve optimum yay katsayıları belirlenmiştir. Tasarım aşamasında, düşük frekans izolasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılan kam–makara mekanizması temel alınarak doğrusal olmayan kuvvet–yer değiştirme ilişkisini fiziksel olarak üreten bir geometri elde edilmiştir. Tek eksenli tasarımda yalnızca düşey yönde doğrusal olmayan kuvvet üretimi sağlanırken, iki eksenli tasarımda düşey eksende doğrusal olmayan, uzunlamasına eksende ise doğrusal bir yutucu kullanılarak helikopter gövdesinde iki yönde titreşim azaltımı hedeflenmiştir. Böylece hem geniş bantlı hem de iki serbestlik derecesine sahip bir yutucu konsepti sunulmuştur. Son aşamada, önerilen yutucuların doğrulaması ANSYS Rigid Body Dynamics (RBD) ortamında gerçekleştirilmiştir. Doğrusal ve doğrusal olmayan yay elemanları için elde edilen kuvvet–yer değiştirme verileri ANSYS'e aktarılmış; helikopter titreşim verilerinden türetilen zorlayıcı kuvvetler uygulanarak sistem yanıtları yeniden elde edilmiştir. Elde edilen ANSYS sonuçları MATLAB ortamında işlenerek FFT (Fast Fourier Transform) tabanlı frekans yanıtları elde edilmiş ve sayısal modelle karşılaştırılmıştır. Yapılan doğrulamalar, doğrusal olmayan yutucunun özellikle kanat geçiş frekansı ve çevresindeki harmoniklerde, klasik doğrusal yutucuya kıyasla çok daha geniş bantlı ve etkili bir titreşim azaltma sağladığını ortaya koymaktadır. Bu tez çalışması ile, helikopter uygulamalarına yönelik fiziksel olarak üretilebilir, geniş bantta çalışan ve çok eksenli titreşim azaltma kabiliyeti sunan bir doğrusal olmayan dinamik titreşim yutucu tasarımı geliştirilmiştir. Sunulan yöntem, modelleme, optimizasyon, CAD (Computer Aided Design) tasarımı ve rijit cisim dinamiği doğrulamasını bütüncül bir yaklaşımla birleştirerek, doğrusal olmayan yutucu prensiplerinin helikopter titreşimlerinin azaltılmasında uygulanabilir ve etkili bir çözüm olduğunu göstermektedir.