مدل سازی و تحلیل سازه ای بال هواپیمای تجاری Structural Modeling and Analysis of Commercial Aircraft wing

 واژه­ های کلیدی: تحلیل استاتیکی، ارتعاش آزاد، روش المان محدود، روش گالرکین، سرعت و فرکانس فلاتر

 فصل 1: مقدمه و تاریخچه

1-1- پیشگفتار2

1-2- تاریخچه3

1-3- هدف پایان نامه6

1-4- محتویات پایان نامه6

فصل 2: ساختمان بال و مواد سازنده

2-1- مقدمه9

2-2- پیکربندی بال10

2-2-1- انواع بال10

2-2-2- جایگاه و شکل بال11

2-3- اجزای تشکیل دهنده بال12

2-3-1- تیرک­های طولی بال13

2-3-2- تیغه یا دنده­های عرضی15

2-3-3- اجزای طولی تقویت کننده16

2-3-4- اجزای تقویت کننده و استحکام بخش16

2-3-5- پوسته بال16

2-4- پارامترهای هندسی بال16

2-4-1- نسبت منظری16

2-4-2- نسبت مخروطی17

2-4-3- زاویه عقب­گرد18

2-4-4- زاویه دایهدرال یا هفتی18

2-4-5- پیچش بال19

2-5- سطوح کنترلی بال20

2-5-1- شهپر20

2-5-2- کاهنده برآ21

2-6- مواد سازنده اجزای هواپیما24

2-6-1- خواص مواد پرکاربرد در هواپیما25

فصل 3: بارگذاری

3-1- مقدمه29

3-2- ضریب بار31

3-2-1- ماکزیمم ضریب بار مانور32

3-2-2- ضریب بار ناشی از جریان ناگهانی هوا34

3-3- بارهای حدی و نهایی35

3-4- معیارهای طراحی سازه36

3-5- خواص جوی37

3-6- طراحی بارهای ناشی از سوخت و روغن38

3-7- پوش مانور پروازی40

3-7-1- نیروهای ناشی از تندباد و تلاطم42

3-8- بارگذاری سازه بال مطابق با استاندارد FAR 2542

3-8-1- کلیات43

3-8-2- بارهای پروازی45

3-8-3- بارهای مکمل48

3-8-4- بارهای سطوح کنترلی و بارهای سیستمی48

3-8-5- بارهای زمینی49

3-8-6- بارهای ناشی از خستگی و خوردگی49

فصل 4: تئوری

4-1- تحلیل استاتیکی51

4-2- تعیین فرکانس­های طبیعی و شکل مودها51

4-2-1- روش اجزای محدود52

4-2-2- روش تفاضل محدود55

4-2-3- روش المان مرزی55

4-3- تحلیل دینامیکی در نرم افزار اجزای محدود55

4-3-1- تحلیل با استفاده از مقادیر ویژه56

4-3-2- تحلیل پاسخ فرکانسی خطی57

4-3-3- تحلیل پاسخ گذرای خطی58

4-4- مبانی آیروالاستیسیته استاتیکی و دینامیکی60

4-4-1- پدیده­های آیروالاستیک استاتیکی61

4-4-2- پدیده­های آیروالاستیکدینامیکی65

4-4-3- روش حل و تحلیل رفتار دینامیکی78

فصل 5: مدل­سازی کامپیوتری

5-1- مقدمه82

5-2- مدل­سازی بال82

5-3- سیستم سوخت در هواپیما85

5-3-1- تعیین محل دقیق مخازن سوخت86

5-4- تحلیل سازه­ای87

5-5- مدل بارگذاری89

فصل 6: شبیه سازی عددی و ارائه نتایج

6-1- مقدمه94

6-2- اعتبارسنجی مدل سازه­ای94

6-3- تحلیل استاتیکی95

6-3-1- تحلیل تنش برای ضریب بارهای مختلف95

6-3-2- بررسی زاویه نصب دنده­های عرضی103

6-3-3- بررسی سطح مقطع تیرک طولی106

6-3-4- تحلیل سوخت108

6-4- تحلیل فرکانسی110

6-5- تحلیل آیروالاستیسیته112

6-5-1- تحلیل فلاتر بال دارای شکستگی مدل­سازی شده119

فصل 7: جمع بندی و ارائه نتایج

7-1- مقدمه127

7-2- نتیجه گیری127

7-2-1- تحلیل تنش127

7-2-2- تحلیل آیروالاستیک128

7-3- ارائه پیشنهاد128

 فهرست شکل­ها

 شکل2-1: اجزای سازنده بال.. 9

شکل2-2: محل نصب و شکل بال.. 11

شکل2-3: انواع هواپیما از جهت محل عمودی نصب بال.. 12

شکل2-4: نامگذاری اجزای بال.. 12

شکل2-5: اجزای تشکیل دهنده تیرک طولی.. 13

شکل2-6: انواع رایج تیرک­های طولی.. 14

شکل2-7: انواع بال بر اساس نسبت مخروطی.. 17

شکل2-8: زوایای دایهدرال و انهدرال.. 19

شکل2-9: اثر زاویه دایهدرال در پایداری عرضی.. 19

شکل2-10: سطوح کنترلی بال.. 20

شکل2-11: ایجاد غلتش در هواپیما به وسیله کاهنده برآ.. 23

شکل2-12: کاربرد مواد مختلف در نمونه هواپیمای مسافربری 27

شکل3-1: مجموعه­ای از بارهای وارده به هواپیما.. 31

شکل3-2: تعادل پروازی هواپیما.. 32

شکل3-3: نمونه­ای از بارهای وارده به بال هواپیما بر حسب مسیر پروازی.. 33

شکل3-4: نیروی وزن و برآی وارده به هواپیما.. 38

شکل3-5: اثرات توزیع سوخت بر خمش بال.. 40

شکل3-6: دیاگرام V-n برای هواپیمای مسافربری.. 41

شکل4-1: نمایش پاسخ فرکانسی مختلط.. 57

شکل 4-2: مسائل مطرح شده در آیروالاستیسیته.. 61

شکل4-3: مدل تیر برای بال یک بعدی.. 63

شکل4-4: بررسی پایداری سیستم از روی پاسخ­های آن.. 70

شکل4-5: مدل آیروالاستیک مقطع بال.. 72

شکل4-6: نمودار قسمت­های حقیقی و موهومی نسبت به سرعت 75

شکل4-7: اثر میرایی سازه­ای در یافتن سرعت فلاتر.. 77

شکل 5-1: نقشه بال ایرباس320.. 83

شکل5-2: مکان قرارگیری تیرک­های طولی.. 84

شکل5-3: نمای شماتیک بال طراحی شده.. 85

شکل5-4: چند حالت مختصات هندسی مخزن سوخت در بال در مقایسه با میزان آزادی بال از زیر بار گشتاور خمشی.. 85

شکل5-5: نمای کلی محل و قسمت بندی مخازن سوخت در هواپیمای ایرباس 320.. 87

شکل5-6: مراحل تحلیل یک مدل در نرم افزار Abaqus. 88

شکل5-7: توزیع نیروی برآ و توزیع بار ناشی از وزن سوخت 90

شکل6-1: دو حالت متفاوت برای اعتبارسنجی مدل سازه­ای.. 94

شکل 6-2: جابجایی عمودی بال بر حسب تعداد گره­ها.. 96

شکل6-3: کانتور تنش فون مایسز در تیرک­های طولی برای n=2.5 97

شکل6-4: کانتور تنش فون مایسز در دنده­های عرضی بال برای n=2.5 97

شکل6-5: کانتور تنش در دنده­های عرضی ریشه، شکستگی و نوک بال برای n=2.5.. 98

شکل 6-6: تنش­های عمودی و برشی ماکزیمم در دنده­های عرضی ریشه و محل شکستگی بال
برای n=2.5.. 99

شکل6-7: کانتور تغییر مکان عمودی بال در حالت­های مختلف پروازی 100

شکل 6-8: تغییرات تنش در طول بال در تیرک طولی جلویی برای سه حالت پروازی مختلف.. 101

شکل 6-9: تغییرات تنش در طول بال در تیرک طولی پشتی برای سه حالت پروازی مختلف.. 101

شکل6-10: تغییرات ضریب اطمینان در طول بال در تیرک طولی جلویی 102

شکل6-11: تغییرات ضریب اطمینان در طول بال در تیرک طولی پشتی 102

شکل 6-12: نمایش قرارگیری دنده­های عرضی بال با زاویه­های نصب مختلف 103

شکل 6-13: تاثیر حالت­های متفاوت دنده­های عرضی بر توزیع تنش در ریشه بال.. 104

شکل 6-14: جابجایی نوک بال برای حالت­های متفاوت زاویه نصب دنده­های عرضی.. 104

شکل 6-15: توزیع تنش فون مایسز در راستای طول بال در تیرک جلویی برای حالت­های متفاوت زاویه نصب دنده­های عرضی.. 105

شکل 6-16: جابجایی بال در راستای طول بال.. 105

شکل 6-17: توزیع تنش در ریشه بال برای سطح مقطع متفاوت تیرک­های طولی.. 106

شکل 6-18: جابجایی نوک بال برای تیرک­های طولی با سطح مقطع متفاوت 107

شکل 6-19: جابجایی عمودی بال برای تیرک طولی با سطح مقطع A₁= 12551.271 mm². 107

شکل 6-20: توزیع تنش در طول بال در تیرک جلویی برای حالت­های متفاوت مصرف سوخت.. 109

شکل 6-21: جابجایی در طول بال برای حالت­های متفاوت مصرف سوخت 109

شکل6-22: همگرایی فرکانس اول بر حسب تعداد گره­ها.. 110

شکل 6-23: مودهای فرکانسی بال.. 112

شکل6-24: نمایش محور الاستیک و سطح مقطع تیر مخروطی.. 113

شکل 6-25: مقایسه سرعت فلاتر بر حسب زاویه عقب­گرد براینسبت­های متفاوت TR
(=10λ).. 114

شکل6-26: مقایسه فرکانس فلاتر بر حسب زاویه عقب­گرد براینسبت­های متفاوت TR
(=10λ).. 115

شکل6-27: مقایسه سرعت فلاتر بر حسب نسبت مخروطی برای زوایای عقب­گرد مختلف
(=10 λ).. 116

شکل6-28: مقایسه فرکانس فلاتر بر حسب نسبت مخروطی برای زوایای عقب­گرد مختلف
(=10λ).. 116

شکل6-29: مقایسه سرعت فلاتر برحسب زاویه عقب­گرد برای نسبت­های متفاوت λ و TR=0.. 117

شکل6-30: مقایسه فرکانس فلاتر برحسب زاویه عقب­گرد برای نسبت­های متفاوت λ و TR=0.. 117

شکل6-31: مقایسه سرعت فلاتر برحسب زاویه عقب­گرد برای نسبت­های متفاوت λ و TR=0.8.. 118

شکل6-32: مقایسه فرکانس فلاتر برحسب زاویه عقب­گرد برای نسبت­های متفاوت λ و TR=0.8.. 118

شکل6-33: مقایسه سرعت فلاتر برحسب نسبت مخروطی برای نسبت­های متفاوت λ و Λ=0.. 119

شکل6-34: مقایسه سرعت فلاتر برحسب نسبت مخروطی برای نسبت­های متفاوت λ و Λ=45.. 119

شکل6-35: بال طراحی شده در نرم افزار CATIA... 120

شکل6-36: سیستم­های مختصات و سطح مقطع بال دارای شکستگی 121

شکل6-37: تغییرات ممان اینرسی و ممان اینرسی قطبی نسبت به فاصله از ریشه بال.. 122

شکل6-38: تغییرات سرعت فلاتر نسبت به زاویه عقب­گرد برای ارتفاع­های پروازی متفاوت.. 123

شکل6-39: تغییرات سرعت فلاتر نسبت به افزایش ارتفاع به ازای زوایای عقب­گرد متفاوت.. 124

شکل6-40: تغییرات سرعت فلاتر نسبت به