WiRTUALNE PROJEKTOWANiE ŚMiGŁOWCA

PRACE iNSTYTUTU LOTNiCTWA219, s. 194-202, Warszawa 2011

WiRTUALNE PROJEKTOWANiE ŚMiGŁOWCA

MateuSz KaNIa

Instytut Lotnictwa

Streszczenie

W referacie przedstawione zostały metody i narzędzia stosowane do projektowania lotniczych

zespołów napędowych, śmigłowców oraz innych statków powietrznych. Narzędzia te stosowane

są w przemyśle oraz do analiz wykonywanych w jednostkach naukowo badawczych. Metody

i narzędzia opisane w tej pracy pozwalają na szybkie i tanie projektowanie poprzez tworzenie

wirtualnego prototypu. Trójwymiarowy model stworzony w oprogramowaniu CAD, umożliwia

wykonanie analiz wytrzymałościowych oraz obciążeń termicznych części i zespołów. Daje również

możliwość zbadania wpływu aerodynamiki na projektowany statek powietrzny, analizę

możliwości i zakresu wykonania ruchów przez zespoły zainstalowane na śmigłowcu, badanie

zjawisk dynamicznych, akustyki, drgań własnych i wiele innych.

W pracy przedstawiono zastosowanie komercyjnego oprogramowania CAD/CAM/CAE Dessault

Catia V5™ podczas procesu projektowania statków powietrznych. Opisano sposób wirtualnego

modelowania kinematyki klasycznego układu sterowania wirnikiem nośnym przy zastosowaniu

modułu Knowledge Advisor zawierającego model opisujący drgania łopat wywołane przez siły

aerodynamiczne. Model zawiera również moduł odpowiedzialny za odwzorowanie odpowiedzi

układu jakim jest śmigłowiec, na sterownie drążkiem skoku okresowego. Przedstawiony wirtu-

alny prototyp sterowany jest za pomocą zewnętrznego programu kontrolującego pracę modelu.

W publikacji zaprezentowano możliwość współpracy narzędzia jakim jest Catia V5™ z innymi

komercyjnymi programami do analizy opartej na metodzie elementów skończonych, w celu skróce-

nia czasu projektowania części prezentowanego układu. Przedstawiono możliwość zastosowania

Macr przyspieszających pracę na modelu, wykonywania rysunków wykonawczych, prezentacji

produktu i wiele innych.

Dzięki zastosowaniu zewnętrznego sterowania w postaci programów pisanych w języku Visual

Basic, możliwości wirtualnego prototypowania w tym środowisku ma niemal niegraniczone

możliwości.

1. WStĘP

Celem tej publikacji jest przedstawienie możliwości jakie daje nam wirtualne projektowaniena przykładzie wirtualnego prototypu układu sterowania śmigłowca z możliwością analizydrgań łopat przegubowego wirnika nośnego oraz wirtualnego modelu przekładni głównejśmigłowca. W poniższej pracy przedstawione zostaną narzędzia i modele, które znaczniezmniejszają czas i koszty projektowania statków powietrznych. Wszystkie prezentowane mo-dele zostały wykonane w oprogramowaniu CaD/CaM/Cae Dessault CatIa V5™.

2. OBIeKtY ROzWaŻaŃ

Śmigłowiec jest to statek powietrzny, w którym występuje szereg układów, których zadaniemjest udział w realizacji funkcji lotu oraz sterowania tym lotem. Śmigłowiec posiada sześć stopniswobody, co sprawia, ze sterowanie jego ruchem jest niezwykle skomplikowane. Sterowanielotem śmigłowca jednowirnikowego realizuje się poprzez zmianę sił i momentów działającychna statek podczas lotu względem trzech osi. W prezentowanym modelu analizie poddawanyjest układ sterowania tylko dla dwóch osi to jest podłużnej i poprzecznej. Sterowanie podłużnerealizowane jest poprzez przemieszczanie sterownicy ręcznej w tym samym kierunku. Skutkujeto zmianą skoku cyklicznego, powodując zmianę kąta nachylenia siły wypadkowej na wirnikunośnym w kierunku podłużnym. zadanie podobnych wymuszeń w drugiej płaszczyźnieskutkuje również powstaniem momentu pochylającego na wirniku nośnym oraz zmianą mo-mentu wypadkowego względem osi poprzecznej. Sterowanie podłużne zmienia kąt pochyle-nia i zadarcia śmigłowca, zaś poprzeczne zmienia kąt przechylenia omawianego statkupowietrznego.

Śmigłowiec jednowirnikowy z wirnikiem głównym konstrukcji przegubowej jest obiektemniestatecznym dynamicznie. ta właściwość wymaga od pilota włożenia znacznego wysiłku fizycz-nego i psychicznego w sterowanie śmigłowcem. Przebadanie przez pilota układu sterowaniajeszcze w fazie projektu, w środowisku CaD, zwiększa możliwości konstruktorów co do wyko-nania w pełni funkcjonalnego i spełniającego swoją rolę układu oraz zmniejsza koszty orazmoże wykluczyć ewentualne poprawki wykryte w późniejszych etapach projektu.

Drugim elementem wirtualnego projektowania śmigłowca opisanego w tej publikacji jestprojektowanie przekładni głównej śmigłowca. Konstruowanie tej przekładni stanowi zagad-nienie wymagające szczególnego potraktowania. Podczas tego procesu wyróżnia się problemywytrzymałościowe dotyczące ogólnych zasad konstruowania przekładni zębatych i zaleceniaspecyficzne, odnoszące się do wymagań i warunków pracy przekładni śmigłowca. Podstawo-wymi zagadnieniami obliczeń przekładni walcowych, stożkowych i planetarnych jest spraw-dzenie warunków niewystąpienia: zmęczenia powierzchniowego, złamania zmęczeniowegoi zatarcia zębów. Obliczenia wytrzymałościowe kół zębatych wykonywane są na podstawie za-leceń Międzynarodowego Komitetu Normalizacji ISO 6336.

Rys. 1. Wirtualny model omawianej przekładni głównej śmigłowca oraz układu sterowaniawraz z przegubowym wirnikiem nośnym

195MateuSz KaNIa

3. OPIS MODelu

3.1. Układ sterowaniaModel opisany w tej publikacji przedstawia możliwość sterowania śmigłowcem w pła-

szczyźnie przechyleń i odchyleń za pomocą wymuszeń pochodzących z drążka pilota. jest toukład klasyczny z możliwością rozszerzenia o różne warianty sterowania. utworzony proto-typ pozwala na zbadanie odpowiedzi łopaty w postaci kąta nastawienia i wpływ tego kąta nacykliczną zmianę kąta wahań względem przegubu poziomego, pionowego i przekręceń. Po-zwala na analizę maksymalnych wartości przemieszczeń łopat prototypu w płaszczyźnie ciągu.Daje również możliwość zaobserwowania odpowiedzi kadłuba projektowanego śmigłowca nazmianę siły nośnej na poszczególnych łopatach wywołanych sterowaniem, jak również wypo-sażony jest w program łączący układ sterowania zamodelowany w oprogramowaniuCaD/CaM/Cae z joystickiem podłączanym do stacji roboczej.

Wirtualny prototyp układu sterowania to przykład układu sztywnego składającego sięz dźwigni i popychaczy, tarczy sterującej oraz przegubowego wirnika nośnego (rys. 1). Mecha-nizm przedstawiający kinematykę zespołu popychaczy oraz tarczy sterującej został utworzonyw module DMu Kinematics systemu CatIa V5. Stworzony model umożliwia realizację dzie-więciu wymuszeń wpływających na jego kinematykę. Pierwsze dwa z nich są to wymuszenia po-chodzące od drążka pilota i są zadawane w sposób dowolny poprzez podanie parametrówzmiany położenia, zaś pozostałe siedem jest sterowane za pomocą zależności utworzonychw module Knowledge advisor. W modelu zawarte są równania kinematyki ruchu łopat, pręd-kość obrotowa wirnika nośnego oraz zależności pomiędzy wartością sterowań, a kątami prze-chylenia lub pochylenia całego śmigłowca. za pomocą tak utworzonego modelu istniejemożliwość analizy sterowania kierunkowego śmigłowca poprzez zadanie parametru kąta od-chylenia śmigłowca w rozpatrywanym manewrze.

Rys. 2. Wirtualny model układu sterowania skokiem cyklicznym.a) model wraz ze śmigłowcem, b) układ przeniesienia sterowania z kabiny

pilotów na tarczę sterującą

Niezbędne jest podanie danych wejściowych do modelu takich jak: masa startowa prototy-powanego śmigłowca, masa łopaty wraz ze współczynnikiem Cz charakteryzującym jej profil,nominalna prędkość obrotowa wirnika nośnego, promień wirnika, odległości przegubu

196 WIRtualNe PROjeKtOWaNIe ŚMIgłOWCa

poziomego od osi obrotu wirnika nośnego Lph, wysokość lotu według atmosfery wzorcowej,czas rozpędzania i czas hamowania wirnika nośnego. Część tych parametrów wprowadzanychjest za pomocą dodatkowego programu sterującego modelem, którego główne okno widocznejest na rysunku 3.

Rys. 3. Okno sterowania analizą prototypu układu sterowania śmigłowca

zależności używane do obliczania wartości amplitud drgań łopat w płaszczyźnie obrotówprzedstawiają odzwierciedlenie wpływu ośrodka gazowego jakim jest powietrze, na ruchłopaty, poprzez zmianę wartości siły nośnej. Równanie wahań łopat zastosowane w tym mo-delowaniu uzależnione jest od wartości azymutu na jakiej znajduje się łopata i wyraża sięwzorem:

, (1)

gdzie: a1 i b1 oznaczają kąty nachylenia dysku wirnika do tyłu i w bok w kierunki 90o, co jesttożsame z kierunkiem łopaty nacierającej zaś oznacza kąt azymutu.

3.2. Przekładnia głównaProjekt śmigłowcowej przekładni głównej, wykonanej w systemie CatIa V5 (rys. 4), prze-

znaczonej dla lekkiego śmigłowca o maksymalnej masie startowej 1800 kg. Całkowite przeło-żenie przekładni wynosi 13,773; prędkość obrotowa na wale wirnika nośnego wynosi437 obr/min zaś wskaźnik ciężarowy przekładni 0,0124.

Przekładnia ta jest zbudowana z dzielonego korpusu, dwóch przekładni kątowych, na którychwejściu podłączone są wały wychodzące z dwóch silników turbinowych, jednej przekładni su-mującej, do której również dołączone są dwie przekładnie służące do wyprowadzenia momentuobrotowego. jedna z nich służy do napędu wentylatora chłodzącego cały przedział napędowy,zaś druga odpowiada za dostarczenie momentu obrotowego do napędu wszelkich agregatówzamontowanych na śmigłowcu oraz śmigła ogonowego. Koło sumujące jest połączone nasztywno z wałem, które przekazuje obroty na koło centralne przekładni planetarnej. Koło cen-tralne z wałem sumującym połączone jest za pomocą wielowypustu. Przekładnia planetarnaskłada się z trzech kół obiegowych oraz jarzma, z którym za pomocą wielowypustu połączonyjest wał wirnika nośnego śmigłowca.

Model mechanizmu przekładni został utworzony za pomocą modułu DMu Kinematics sys-temu CatIa V5. W module tym nadano więzy kinematyczne i zdefiniowano sterowania.Więzami, które modelują pracę łożysk są więzy Revolute joint, zaś pracę zazębionych kół wal-cowych opisują więzy gear joint. aby stworzyć więzy kinematyczne modelujące pracę

197MateuSz KaNIa

przekładni stożkowej należy tak powiązać wały wirnika z korpusem, żeby była możliwośćstworzenia z nich więzów gear, a następnie zadać odpowiednie przełożenie. Parametremsterującym układem jest wartość prędkości obrotowej na wałach wychodzących z silnikówturbinowych.

Rys. 4. Wirtualny model śmigłowcowej przekładni głównej

4. NOWe MOŻlIWOŚCI PRjeKtOWaNIa ORaz aNalIz PODCzaS WIRtualNegOPROtOtYPOWaNIa

Podczas projektowania śmigłowca niezbędna jest weryfikacja stworzonego układu stero-wania. Opracowany model daje możliwość zbadania wpływu modyfikacji niektórych węzłówkonstrukcyjnych na polepszenie zakresu sterowania śmigłowcem. Pozwala na zbadanie ewen-tualnych kolizji układu popychaczy z innymi elementami śmigłowca. Daje możliwość analizzmian odległości pomiędzy ruchomymi częściami. Dzięki symulacji wahań łopat możemy oce-nić poprawność doboru zakresu wahań łopat przy różnych stanach lotu przez wprowadzoneograniczników. analiza przedstawionego prototypu pozwala ocenić, czy funkcja jaką powinienon spełniać jest realizowana w sposób poprawny i czy założenia projektowe były trafne, czy na-leżałoby je zmienić. Prototyp ten daje również możliwość sprawdzenia układu pod kątem normeaSa.

Dzięki zastosowaniu zewnętrznego sterowania przy pomocy programu napisanego w językuVisual Basic mamy możliwość połączenia w jedną całość różnych programów wspierających teplatformę programowania. Daje to możliwość konstruktorowi na szybkie przetestowanie częściwe wcześniej założonych warunkach pracy. Pozawala również na szybki transfer danych z innychprogramów obliczeniowych w celu weryfikacji bądź optymalizacji projektowanych części. zastoso-wanie takiego sposobu projektowania daje możliwość stosowania własnych programówobliczeniowych, które mogą opierać się także na innych językach programowania niż Visual Basic.


Rys. 5. Przykłady analiz kinematyki mechanizmu przy użyciu oprogramowania CatIa V5.a) analiza prawidłowości wykonania modelu, b) Sygnalizacja kolizji (Clash) z przegrodą,

c) analiza przemieszczeń elementów układu

Proces projektowania przy użyciu języka Visual Basic otwiera nowe możliwości w projek-towaniu maszyn, a szczególności daje możliwość symulacji i szybszego połączenia różnych pro-gramów w jeden organizm, co znacznie usprawnia i przyspiesza pracę konstruktorów.

Rys. 6. Możliwości zastosowania połączenia oprogramowania CaD/CaM/Cae z innymi programamiinżynierskimi za pomocą interfejsów utworzonych za pomocą języka Visual Basic

199MateuSz KaNIa

Projekt przekładni głównej śmigłowca dzięki analizie kinematyki jej ruchu daje możliwośćsprawdzenia kolizji oraz poprawności działania urządzenia jeszcze w fazie projektu. W opro-gramowaniu CatIa V5 istnieje również możliwość analizy procesu montażu. analizy pod kątemmożliwości jego wykonania, czy kolejności montowanych części.

zastosowanie modeli autogenerujących daje możliwość szerokiego badania bardzodokładnego modelu CaD za pomocą narzędzi MeS. Szybkość wykonania modelu bazowego jestniewątpliwe atutem tego sposobu projektowania, co daje możliwość zmniejszenia kosztów pro-jektu.

Rys. 7. Przykład analiz przeprowadzanych podczas symulacji ruchu przekładnigłównej śmigłowca. analiza kolizji zębów

Model autogenerujący koła zębatego stożkowego oraz koła walcowego o ewolwentowychzarysach zębów został wykonany przy pomocy modułów generative Shape Design, PartDesign oraz Knowledge advisor w oprogramowaniu CatIa V5, w celu przyspieszenia praczwiązanych z wykonywaniem wielu dokładnych modeli kół zębatych o różnych parametrach.

Rys. 8. linia ewolwentowa zęba wyznaczana na podstawie równania ewolwenty


Dane niezbędne do stworzenia tego modelu, podawane za pomocą narzędzia „Formula”w specjalnie utworzonym do tego celu formularzu co znacznie ułatwia pracę konstruktorowi.Przykłady kół zębatych uwożonych dzięki tym modelom zostały przedstawione na rysunku 9.

Rys. 9. Przykłady kół stożkowych oraz walcowych utworzonych dziękiużyciu modelu autogenerującego

5. WNIOSKI

utworzony wirtualny prototyp układu sterowania śmigłowcem daje możliwość szerokiegobadania go bez konieczności budowy rzeczywistego modelu. jego zaletą są dołączone zależnościopisujące wahania łopat, co wpływa na możliwość szerszego badania modelu. Modułodpowiedzialny za powiązanie wymuszeń z odpowiedzią całego badanego obiektu dajemożliwość analizy sterowności śmigłowca we wczesnej fazie projektu, co umożliwia kon-struktorom jego zmianę bez konieczności wykonywania kosztownych badań w locie na go-towym obiekcie.

W prezentowanej przekładni zastosowano modele autogenerujące kół zębatych stożkowychoraz walcowych. Dzięki zastosowaniu tej techniki w prosty sposób można generować kołazębate o określonych parametrach geometrycznych i zabudowywać je w projektowanejprzekładni dzięki niezwykle dokładnej metodzie tworzenia ewolwentowego zarysu zębów.Prezentowany model spełnia warunki dokładności by użyć go w metodzie elementówskończonych, w obliczeniach naprężeń kontaktowych. jest to niezwykle istotne bo znaczącoskraca czas tworzenia modelu CaD, który następnie może być poddany kolejnym etapom wery-fikacji. Projekt przekładni śmigłowcowej dzięki zastosowaniu modeli autogenerujacych jestprzystosowany do wielowariantowych analiz. zakres zastosowania modeli autogenerujacychmożna rozszerzyć np. o wałki i powiązać je z kołami zębatymi. zastosowane procedury analizykolizyjności i prześwitów oraz zapisanie ich w drzewie struktury modelu pozwalają nabłyskawiczną weryfikację prawidłowości opracowanej konstrukcji. jakość modeliautogenerujących kół zębatych zwłaszcza jeśli chodzi o generowanie ewolwentowego zarysuzęba oraz otworów odchudzających pozwala na zastosowanie tych modeli w wielowariantowych

201MateuSz KaNIa

analizach MeS badających ich wytrzymałość zwłaszcza stykową. jest to niezwykle ważne zewzględu na fakt, że zamodelowanie dokładnej geometrii do modelu MeS jest niezwykleczasochłonne.

Przedstawione w tej pracy modele i algorytmy stosowane w procesie projektowaniapozawalają na znaczne skrócenie czasu pracy nad modelem oraz wskazują na nowe możliwościw symulacjach tworzonych mechanizmów. Stosowanie podobnych mechanizmów pracy pod-czas konstrukcji nowych konstrukcji statków powietrznych jakimi są śmigłowce pozwoli najeszcze większe wykorzystanie możliwości wirtualnego prototypowania.

BIBlIOgRaFIa

[1] Bramwell a. R. S.: Helicopter Dynamics, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2001.[2] juriew B. N.: Aerodinamiczeskij raszczet wiertoletow, Obarangiz, Moskwa, 1956.[3] Mil M. l.: Helicopters. Calculation and design, Volume II, NaSa technical translation, NaSa

tt F-519, Washington, D. C. 1968.[4] Skarka W.: Catia v5. Podstawy budowy modeli autogenerujacych, Helion, gliwice, 2009.[5] Wełyczko a.: Catia v5. Przykłady efektywnego zastosowania systemu w projektowaniu

mechanicznym, Helion, gliwice, 2005.[6] Wyleżoł M.: Catia v5. Modelowanie i analiza układów kinematycznych, Helion, gliwice, 2007.

MateuSz KaNIa

ViRTUAL HELiCOPTER DESiGN

Abstract

In this paper present advantages and possibilities during helicopter virtual design based on two

examples. First of them is virtual prototype of helicopter control system with module responsible for

blades vibration analysis. During design in this part of helicopter architectures present examples

of kinematic analysis by comment and laws. Presents also possibilities of connection CAD models

with user programs write in VBA language. Second part of this paper is virtual model of main

helicopter gearbox. In this part present auto generated models of gear wheels. Based on this

models we can shortening time spend on model design and decrease cost of work. All presented

models was create in CAD/CAM/CAE Dessault CATIA V5™ software.


Documents

WiRTUALNE PROJEKTOWANiE ŚMiGŁOWCA