توصيفگر ها :
فرامواد , شكل پذيري , تير دوار , پره هليكوپتر , آناليز مودال , نمودار كمپل
چكيده فارسي :
فرامواد از جمله مواد مهندسي شده مي‌باشند كه با تغيير يا اصلاح خواص طبيعي مواد موجود در جامعه از طريق تغيير ريزساختار آن‌ها به وجود مي‌آيند و داراي خواص منحصر به فرد و فراتر از مواد طبيعي هستند. خاصيت شكل‌پذيري از جمله خواص فرامواد است. بسياري از فرامواد قادر به تغيير شكل خود با مكانيزم هاي تاشو هستند. فرامواد به دليل خاصيت شكل‌پذيري در بال هواپيما، پره‌ي هليكوپتر، پره‌ي توربين و غيره كاربرد بسياري دارند. در پره‌هاي هليكوپتر، كوپلينگ خمش-پيچش يك پديده پيچيده و مهم در طراحي و عملكرد پره‌ها است. هنگامي‌كه پره در حين چرخش خم مي‌شود، همزمان دچار پيچش نيز مي‌شود. كوپلينگ خمش-پيچش تاثيراتي بر روي عملكرد آيروديناميكي (تاثير بر توزيع نيرو و توليد نيروي برآ)، استحكام ساختاري (تاثير بر تنش‌ها و لرزش‌ها و پايداري و عمر مفيد پره‌ها) و كنترل پرواز دارد. عوامل بسياري بر كوپلينگ خمش-پيچش اثر مي‌گذارند كه از آن‌ها مي‌توان به شكل هندسي پره از جمله نسبت ابعاد، ضخامت و انحناي آن اشاره كرد. از طرفي ديگر تحليل ارتعاشات هسته پره‌ي هليكوپتر با فرض يك تير دوار امري ضروري است. تيرهاي دوار كه ساده‌سازي‌هايي از اجزاي مكانيكي پيچيده‌تر هستند، به طور گسترده در بخش‌هاي راهبردي صنعت و اقتصاد، مانند هوافضا، توليد انرژي يا حمل و نقل دريايي استفاده مي‌شوند. عدم كنترل ارتعاشات پره‌ها و تيرهاي دوار با روش‌هاي مناسب مي‌تواند باعث اختلال در عملكرد هليكوپتر، خستگي زودرس قطعات، كاهش عمر سيستم و شكست پره و سقوط هليكوپتر شود. در اين پژوهش، سه مدل تير ساخته شده از فرامواد به عنوان هسته پره هليكوپتر در مقياس كوچك در نظر گرفته شده است كه هندسه سلول واحد تشكيل‌دهنده تير‌ها براي دستيابي به خاصيت كوپلينگ خمش-پيچش مورد بررسي قرار گرفته شده است. تيرهاي متشكل از چندين سلول واحد فرامواد به كمك فناوري ساخت افزودني ساخته و آزمون‌هاي تجربي استاتيكي و ديناميكي روي آن‌ها انجام شده است. همچنين براي راستي‌آزمايي نتايج تجربي، شبيه‌سازي‌هاي اجزاء محدود در نرم‌افزار آباكوس انجام شده است. نتايج بدست آمده از آزمون‌هاي استاتيكي نشان مي‌دهد تير با هندسه سلول واحد متشكل از يك مكعب ساده و سلول فرعي مورب نسبت به ساير هندسه‌هاي مورد بررسي در عين سادگي ساختار از خاصيت كوپلينگ خمش-پيچش بيشتري برخوردار است. همچنين افزايش ضريب منظري در هندسه سلول واحد تاثير بسياري بر بهبود خاصيت كوپلينگ خمش-پيچش دارد. با تغيير اندك در سلول فرعي مورب هندسه سلول واحد تشكيل‌دهنده‌ي تير‌ها، اين خاصيت بهبود يافته است. همچنين تحليل ديناميكي تير‌ها نشان مي‌دهد تير‌ها با خاصيت كوپلينگ خمش-پيچش بيشتر كه در آزمون‌هاي استاتيكي بدست آمده است، داراي فركانس‌هاي طبيعي بالاتر هستند و تعداد مود‌هاي پيچش در بازه فركانسي مشخص بيشتر است كه دليلي بر اثبات خاصيت كوپلينگ خمش-پيچش در اين تير‌ها است. در بخش ديگر اين پژوهش، تيرهاي ساخته شده از فرامواد به عنوان تيرهاي دوار تحت آزمون‌هاي آناليز مودال به روش اجزاء محدود قرار مي‌گيرد. تيرهاي ساخته شده در اين پژوهش با توجه به ابعاد آن‌ها به عنوان هسته پره دم هليكوپتر تحت سرعت‌هاي دوراني مختلف قرار گرفته و فركانس‌هاي طبيعي و شكل مود‌هاي آن‌ها مورد مطالعه قرار گرفته است. بر اساس نتايج، با افزايش سرعت دوراني، فركانس‌هاي طبيعي نيز افزايش يافته است اين در حالي است كه شكل مود‌هاي تيرهاي دوار با شكل مود‌هاي تير ساكن تقريبا يكسان است و در برخي مقاصد مي‌توان از شكل مود‌هاي تير ساكن به جاي تير دوار استفاده كرد. سپس با بررسي نموداري موسوم به نمودار كمپل سرعت‌هاي دوراني بحراني سه مدل تير در محدوده كاري مشخص براي جلوگيري از ايجاد پديده تشديد بدست آمده است. بر اساس نتايج شبيه‌سازي تير با خاصيت كوپلينگ خمش-پيچش كمتر در محدوده كاري مشخص داراي سرعت‌هاي بحراني بيشتري است.
چكيده انگليسي :
Metamaterials are a type of engineered material that is created by altering or modifying the inherent properties of existing materials in society through changes in their microstructure, resulting in unique properties that surpass those of natural materials. Shape morphing is one of the unique properties of metamaterials. Many metamaterials can alter their shape through folding mechanisms. Metamaterials are widely used in airplane wings, helicopter blades, turbine blades, etc. due to their shape morphing properties. In helicopter blades, bend-twist coupling is a complex and significant phenomenon in helicopter blade design and performance. As the blade bends during rotation, it also twists simultaneously. Bend-twist coupling has implications for aerodynamic performance, structural integrity, and flight control. Numerous factors contribute to bend-twist coupling, including the blade's geometric shape, such as its aspect ratio, thickness, and curvature. On the other hand, it is necessary to analyze the vibrations of the core of the helicopter blade assuming a rotating beam. Rotating beams, which are simplifications of more complex mechanical components, are widely employed in critical industrial and economic sectors such as aerospace, power generation, and marine transportation. Failure to adequately control the vibrations of helicopter blades and rotating beams can lead to helicopter malfunction, premature component fatigue, reduced system lifespan, blade failure, and helicopter crashes. In this research, three beam models made of metamaterials are considered as the core of small-scale helicopter blades, and the geometry of the unit cell of the beams has been investigated to achieve the bend-twist coupling property. Beams consisting of several metamaterial unit cells were made using additive manufacturing technology and subjected to static and dynamic experimental tests. Furthermore, finite element simulations were performed in Abaqus software to validate the experimental results. The results obtained from the static tests indicate that the beam with a unit cell geometry consisting of a simple cube and a diagonal sub-cell exhibits a higher bend-twist coupling property compared to the other geometries investigated, despite its simple structure. Also, increasing the aspect ratio in the geometry of the unit cell has a great effect on improving the bend-twist coupling property. This property was further enhanced by slight modifications to the diagonal sub-cell of the unit cell geometry of the beams. Additionally, the dynamic analysis of the beams reveals that the beams with higher bend-twist coupling properties, as determined by the static tests, possess higher natural frequencies and a larger number of torsional modes within a specific frequency range, further substantiating the presence of bend-twist coupling in these beams. In another part of this research, beams made of metamaterials as rotating beams are subjected to modal analysis tests using the finite element method. The beams made in this research are subjected to different rotational speeds according to their dimensions as the core of the helicopter's tail, and their natural frequencies and mode shapes have been studied. The results indicate that the natural frequencies increase with increasing rotational speed. However, the mode shapes of the rotating beams are nearly identical to those of the stationary beams. In certain applications, the mode shapes of the stationary beams can be used instead of those of the rotating beams. Next, a Campbell diagram is employed to determine the critical rotational speeds of the three beam models within a specified operating range to prevent the occurrence of resonance. The simulation results indicate that the beam with a lower bend-twist coupling property exhibits a higher number of critical speeds within the specified operating range.
