بررسی رفتار آیروالاستیک غیرخطی هواپیمای انعطاف‌پذیر کامل با روش مودهای فرضی و مدل آیرودینامیک حداقل متغیر فضای حالت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

3 مجتمع دانشگاهی مواد و فناورهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

در طراحی پهپادها با نسبت منظری بالا، توسعه مدل‌های جامع برای شبیه‌سازی رفتارهای غیرخطی آیروالاستیک، اهمیت ویژه‌ای دارد. در این پژوهش، یک مدل آیروالاستیک پیشرفته برای هواپیمای انعطاف‌پذیر کامل ارائه شده است که علاوه بر مودهای آیروالاستیک، مودهای نوسانی صلب هواپیما و جفت شدگی‌های بین این دو را به‌ طور کامل در بر می‌گیرد. معادلات حاکم در دستگاه شبه‌مختصات استخراج شده و بخش مکانی آن‌ها با بهره‌گیری از روش مودهای فرضی حل می‌شود. رفتار غیرخطی بال‌ها، با استفاده از معادلات تیر با غیرخطی‌های سازه‌ای که در اثر تغییرشکل‌های بزرگ ایجاد می‌شوند، مدل‌سازی می‌شوند. نوآوری این پژوهش از دو جنبه قابل بیان است: نخست، مسئله آیروالاستیسیته غیرخطی با استفاده از مدل آیرودینامیک حداقل متغیر فضای حالت حل می‌شود؛ و دوم، مسئله آیروالاستیسیته غیرخطی هواپیمای انعطاف‌پذیر کامل با بهره‌گیری از روش مودهای فرضی بررسی می‌گردد. هر دو رویکرد ابعاد ماتریس‌های حاصل از معادلات را در مقایسه با روش‌های متداول اجزای محدود به حداقل می‌رسانند. در بخش نتایج، تأثیر مودهای صلب بر رفتار سیکل‌حد هواپیمای انعطاف‌پذیر کامل بررسی شد. ارزیابی‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که تغییرات جرم و ممان‌های اینرسی می‌توانند بر دامنه نوسانات مودهای مختلف اثرگذار باشند و نقش تعیین‌کننده‌ای در پاسخ آیروالاستیکی سامانه ایفا کنند. این تحلیل‌ها بیانگر اهمیت در نظر گرفتن مودهای صلب در پیش‌بینی هر چه دقیق‌تر رفتار دینامیکی و درک مکانیسم‌های پایداری و ناپایداری هواپیمای انعطاف‌پذیر هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Nonlinear Aeroelastic Behavior of a Fully Flexible Aircraft Using the Assumed Modes Method and a Minimal State-Space Aerodynamic

نویسندگان [English]

  • Salman Shafaghat 1
  • Mohammadali Noorian 2
  • Reza Azarafza 3
1 Faculty of Aerospace Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Faculty of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
3 Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

در طراحی پهپادها با نسبت منظری بالا، توسعه مدل‌های جامع برای شبیه‌سازی رفتارهای غیرخطی آیروالاستیک، اهمیت ویژه‌ای دارد. در این پژوهش، یک مدل آیروالاستیک پیشرفته برای هواپیمای انعطاف‌پذیر کامل ارائه شده است که علاوه بر مودهای آیروالاستیک، مودهای نوسانی صلب هواپیما و جفت شدگی‌های بین این دو را به‌ طور کامل در بر می‌گیرد. معادلات حاکم در دستگاه شبه‌مختصات استخراج شده و بخش مکانی آن‌ها با بهره‌گیری از روش مودهای فرضی حل می‌شود. رفتار غیرخطی بال‌ها، با استفاده از معادلات تیر با غیرخطی‌های سازه‌ای که در اثر تغییرشکل‌های بزرگ ایجاد می‌شوند، مدل‌سازی می‌شوند. نوآوری این پژوهش از دو جنبه قابل بیان است: نخست، مسئله آیروالاستیسیته غیرخطی با استفاده از مدل آیرودینامیک حداقل متغیر فضای حالت حل می‌شود؛ و دوم، مسئله آیروالاستیسیته غیرخطی هواپیمای انعطاف‌پذیر کامل با بهره‌گیری از روش مودهای فرضی بررسی می‌گردد. هر دو رویکرد ابعاد ماتریس‌های حاصل از معادلات را در مقایسه با روش‌های متداول اجزای محدود به حداقل می‌رسانند. در بخش نتایج، تأثیر مودهای صلب بر رفتار سیکل‌حد هواپیمای انعطاف‌پذیر کامل بررسی شد. ارزیابی‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که تغییرات جرم و ممان‌های اینرسی می‌توانند بر دامنه نوسانات مودهای مختلف اثرگذار باشند و نقش تعیین‌کننده‌ای در پاسخ آیروالاستیکی سامانه ایفا کنند. این تحلیل‌ها بیانگر اهمیت در نظر گرفتن مودهای صلب در پیش‌بینی هر چه دقیق‌تر رفتار دینامیکی و درک مکانیسم‌های پایداری و ناپایداری هواپیمای انعطاف‌پذیر هستند.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flexible Aircraft
  • Quasi-Coordinate Formulation
  • Nonlinear Aeroelasticity
  • Minimum State Variable Method
  • Assumed Mode Solution
 [1] A. H. Nayfeh, Linear and nonlinear structural mechanics. John Wiley & Sons, (2024).
 [2] P. F. Pai, A. H. Nayfeh, Three-dimensional nonlinear vibrations of composite beams—I. Equations of motion. Nonlinear Dynamics, 1(6) (1990), 477-502.
 [3] C. da Silva, C. C. Glynn, Nonlinear flexural-flexural-torsional dynamics of inextensional beams. I. Equations of motion. Journal of Structural Mechanics, (1978) 6(4), 437-448.
 [4] D. H. Hodges, E. H. Dowell, Nonlinear equations of motion for the elastic bending and torsion of twisted nonuniform rotor blades (1974) No. A-5711.
 [5] M. J. Patil, D. H. Hodges, C.E. Cesnik, Limit-cycle oscillations in high-aspect-ratio wings. Journal of fluids and structures, 15(1) (2001) 107-132.
 [6] T. Strganac, P. Cizmas, C. Nichkawde, J. Gargoloff, P. Beran, Aeroelastic analysis for future air vehicle concepts using a fully nonlinear methodology, In 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, (2005) 2171.
 [7] M. H. Sadr Lahidjani, H. Haddadpour, S. Shams, Nonlinear aeroelastic behavior of a high flexibility wing with long span considering large deflection. In 45th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics & Materials Conference, (2004) 1943.
 [8] S. Shams, M. S. Lahidjani, H. Haddadpour, Nonlinear aeroelastic response of slender wings based on Wagner function. Thin-Walled Structures, 46 (11) (2008) 1192-1203.
[9] L. Meirovitch, and I. Tuzcu, Integrated Approach to Flight Dynamics and Aeroservoelasticity of Whole Flexible Aircraft-Part I: System Modeling, AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, (2002) 4747.
[10] L. Meirovitch and I. Tuzcu, Integrated Approach to Flight Dynamics and Aeroservoelasticity of Whole Flexible Aircraft-Part I: System Modeling, AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, (2002)4747.
 [11] N. Nhan, and I. Tuzcu, Flight dynamics of flexible aircraft with aeroelastic and inertial force interactions.” AIAA atmospheric flight mechanics conference, 208 (2009) 109375.
 [12] I. Tuzcu, N. T. Nguyen, Modelling Dynamics of Highly Flexible Aircraft Using a Geometrically Nonlinear Structural Model, In AIAA SCITECH (2025) 1020.
 [13] M. R. Waszak, J. B. Davidson, D. K. Schmidt, A simulation study of the flight dynamics of elastic aircraft. Volume 1: Experiment, results and analysis, (1987) No. NASA-CR-4102.
 [14] D. K. Schmidt, B. P. Danowsky, A. Kotikalpudi, J. Theis, C.D. Regan, P. J. Seiler, R.K. Kapania, Modeling, design, and flight testing of three flutter controllers for a flying-wing drone. Journal of Aircraft, 57(4) (2020) 615-634.
 [15] C. Reschke, Integrated flight loads modelling and analysis for flexible transport aircraft, (2006).
 [16] L.T. Niblett, The fundamentals of body-freedom flutter, The Aeronautical Journal, 90(899) (1986) 373-377.
 [17] P. Shi, J. Liu, Y. Gu, Z. Yang, P. Marzocca, Full-span flying wing wind tunnel test: a body freedom flutter study. Fluids, 5(1) (2020) 34.
 [18] P. W. Richards, Y. Yao, R. A. Herd, D.H. Hodges, P. Mardanpour, Effect of inertial and constitutive properties on body-freedom flutter for flying wings. Journal of Aircraft, 53(3) (2016) 756-767.
 [19] A. Iannelli, A. Marcos, M. Lowenberg, Study of flexible aircraft body freedom flutter with robustness tools, Journal of Guidance, Control, and Dynamics 41(5) (2018) 1083-1094.
 [20] Y. D. Li, X. P. Zhang, Y. S. Gu, Z. C. Yang, Body freedom flutter study and passive flutter suppression for a high aspect ratio flying wing model. Applied Mechanics and Materials, 608 (2014) 708-712.
 [21] M. J. Patil, M. J. Nonlinear aeroelastic analysis, flight dynamics, and control of a complete aircraft. Georgia Institute of Technology (1999).
 [22] P. Mardanpour, D. H. Hodges, R. Neuhart, and N. Graybeal, Engine placement effect on nonlinear trim and stability of flying wing aircraft, Journal of Aircraft 50(6) (2013) 1716-1725.
 [23] I. Tuzcu, N.T. Nguyen, Modelling Dynamics of Highly Flexible Aircraft Using a Geometrically Nonlinear Structural Model. In AIAA SCITECH 2025 Forum, (2025) 1020.
[24] A. C. Gray, C. Riso, E. Jonsson, J.R. Martins, C. E. Cesnik, High-fidelity aerostructural optimization with a geometrically nonlinear flutter constraint. AIAA Journal, 61(6) (2023) 2430-2443.
[25] D. Sanghi, D., C. Riso, E. Cesnik, C. E., F. Vetrano, Ride Quality in Transonic High-Aspect-Ratio-Wing Aircraft. Journal of Aircraft, 2025.
 [26] J. Murua, R. Palacios, J. M. R. Graham, Applications of the unsteady vortex-lattice method in aircraft aeroelasticity and flight dynamics. Progress in Aerospace Sciences, 55 (2012) 46-72.
 [27] Cheng, C. Wing, A. Cea, R. Palacios, A. Castrichini, and T. Wilson, Nonlinear Multibody Modelling of Flexible Aircraft with Flared Hinged Wings, In AIAA Scitech 2024 Forum, 2024, 1441.
 [28] D. K. Schmidt, B. P. Danowsky, A. Kotikalpudi, J. Theis, C.D. Regan, P. J. Seiler, R. K. Kapania, Modeling, design, and flight testing of three flutter controllers for a flying-wing drone. Journal of Aircraft, 57(4) (2020) 615-634.
[29] S. Shafaghat, M. A. Noorian, S. Irani, Nonlinear aeroelastic analysis of a HALE aircraft with flexible components, Aerospace Science and Technology 127 (2022) 107663.
[30] S. Shafaghat, M. Noorian, S. Irani, Nonlinear body-freedom flutter analysis in aircraft with the flexible wing, Aerospace Knowledge and Technology Journal, (2022) 191-204.
[31] S. Shafaghat, M. A. Noorian, Modeling and Analysis of Aeroelastic Instabilities in a Flexible Full Aircraft Using Quasi-Coordinate Formulation and Minimum State Aerodynamic Model. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, (2025).
 [32] M. Karpel, Design for active and passive flutter suppression and gust alleviation, Stanford University, (1980).
 [33] J. Eirikur, C. Riso, C. A. Lupp, C. Cesnik, J. Martins, and B. Epureanu, Flutter and post-flutter constraints in aircraft design optimization, Progress in Aerospace Sciences 109 (2019) 100537.
 [34] M. Nejati, S. Shokrollahi, S. Shams, Nonlinear aeroelastic analysis of high-aspect-ratio wings using indicial aerodynamics. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 40(6) (2018) 298.