ارتعاش یک مانع رایج است که باید هنگام ساخت هواپیماهای بدون سرنشین بر آن غلبه کرد. لرزش بیش از حد می تواند باعث ایجاد مشکلاتی در هنگام پرواز یا در حین آزمایش شود.
در این مقاله قصد داریم دو روش برای نزدیک شدن به مشکل ارتعاش در پایه های رانش پهپاد را نشان دهیم: شبیه سازی و آزمایش تجربی. راه حلی که ما برای تغییر فرکانس های اساسی با استفاده از دمپرها استفاده کردیم، مشابه چیزی است که در پهپادها استفاده می کنید.
خلاصه:
- پس زمینه
- لرزش پایه رانش
- شبیه سازی ارتعاش
- تست تجربی
- لرزش در هواپیماهای بدون سرنشین
زمینه – طراحی جایگاه پرواز
ما اخیراً Flight Stand 15/50 جدید را منتشر کردیم، یک پایه رانش/ دینامومتر ساخته شده برای آزمایش پهپادها که می تواند بارهای تا 50 کیلوگرم رانش را تحمل کند. این پایه دارای ساختار لوله ای توخالی است تا آیرودینامیک بهتر و همچنین مدیریت کابل بهبود یافته را ارائه دهد، با کابل هایی که به جای اینکه در امتداد بیرون قرار گیرند در داخل لوله قرار دارند.
یک چالش برجسته در طراحی پایه رانش، محدود کردن میزان ارتعاش در طول آزمایش پیشرانه بود. همانطور که گفته شد، شکل پایه پایه یک لوله عمودی است که باید یک واحد اندازه گیری نیرو (FMU) را در خود جای دهد و یک موتور و پروانه را در بالا نگه دارد.
این پایه برای آزمایش موتورها و پروانه ها استفاده می شود که به طور ذاتی باعث ایجاد ارتعاش می شوند و به طور بالقوه به ابزار آسیب می رسانند. برای بهینه‌سازی و محافظت از پایه، یک سری آزمایش‌های ارتعاشی مشابه آزمایش‌های مورد استفاده برای قطعات پهپاد مانند بازوهای کوادکوپتر انجام دادیم. روش تجربی و نتایج ما در این مقاله تشریح شده است.
لرزش پایه رانش
پایه رانش با موتورها و پروانه‌های مشتری سازگار است و با تغییر در پارامترهای طراحی همراه است. یکی از پارامترهایی که تأثیر زیادی بر فرکانس سیستم دارد، جرم کلی است.
معادلات زیر نشان می دهد که چگونه افزایش جرم باعث کاهش فرکانس طبیعی سیستم می شود. پایه می تواند طیف وسیعی از رانش ها را اندازه گیری کند، بنابراین از توده های مختلفی از پروانه ها و موتورها استفاده می شود. بسته به پروانه کاربر و جرم موتور، فرکانس طبیعی تغییر می کند .
با توجه به تغییرات در جرم، اندازه پروانه و رانش سیستم های محرکه قابل آزمایش، پایه رانش پتانسیل کار در طیف وسیعی از فرکانس ها را دارد. با این کار، فرکانس تشدید سازه ممکن است در محدوده عملکرد پایه قرار گیرد.
تشدید زمانی اتفاق می‌افتد که فرکانس طبیعی یک سازه برانگیخته می‌شود و در نتیجه دامنه ارتعاش بزرگ‌تر یا حرکتی بیشتر در سازه‌ها دیده می‌شود. حفظ آن فرکانس منجر به افزایش تحریک می شود و می تواند منجر به آسیب یا شکست ساختاری شود.
یک مثال رایج از خطر رزونانس، فروریختن پل تاکوما در سال 1940 است. در حالی که دلایل متعددی برای ریزش وجود داشت، یکی از عوامل اصلی رزونانس بود که باعث پیچش پل و حرکت غیرقابل کنترل آن شد.
شبیه سازی ارتعاش
هنگام طراحی پایه، توجه داشتیم که فرکانس طبیعی در محدوده عملکرد قرار می گیرد. پایه رانش توانایی اندازه گیری از 1.5 کیلوگرم تا 50 کیلوگرم را دارد، که مربوط به پروانه هایی است که می توانند از 1000 تا 10000+ دور در دقیقه کار کنند که با فرکانس های تقریباً 16 هرتز تا 200 هرتز مرتبط است.
ما برخی از شبیه‌سازی‌های ارتعاشی را به منظور مشاهده واکنش پایه به حالت‌های ارتعاشی مختلف، که در شکل 2 نشان داده شده‌اند، انجام دادیم. برای جلوگیری از تشدید، مهم است که از کارکردن پایه در این حالت ها برای مدت طولانی خودداری کنید.
تست تجربی
یک پایه اولیه ساخته شد تا درک بهتری از نحوه تأثیر این ارتعاشات روی پایه در عمل ایجاد شود. در حالی که شبیه‌سازی‌ها بسیار مفید هستند، مهم است که ببینیم پایه در طول آزمایش‌های واقعی چگونه تحت تأثیر ارتعاشات قرار می‌گیرد.
پایه در شکل 3 با یک پایه موتور سازگار در بالا به جای FMU مونتاژ و آزمایش شد. برای ایجاد عدم تعادل در سیستم از یک پروانه بریده شده از یک طرف استفاده شد.
شکل 3: نمونه اولیه پایه رانش برای تست ارتعاش
دینامیک ارتعاش با استفاده از نرم افزار Flight Stand ثبت شد. یکی از مشاهدات کلیدی اهمیت یک پایگاه پایدار بود. هنگامی که پایه به طور ایمن به زمین متصل نمی شود، پایه حرکت بیشتری را تجربه می کند و در نتیجه فرکانس تشدید کمتر و خوانش ارتعاش بالاتر می شود.
شکل 4 نشان می دهد که چگونه فرکانس های تشدید را می توان از طریق آزمایش تعیین کرد. پس از راه اندازی موتور و افزایش آهسته سرعت پروانه، می توان جهش های بزرگی در ارتعاش در طول آزمایش مشاهده کرد که می تواند با رزونانس همراه باشد.
شکل 4: لرزش پایه رانش با افزایش سرعت پروانه
روش‌های میرایی معمولی مانند پایه‌های ساندویچی در نظر گرفته شد، اما دمپرهای ارتعاشی باید در همان جهتی که ارتعاش رخ می‌دهد استفاده شوند. مکان‌های موجود روی پایه برای نصب میرایی در جهت عمودی هستند، اما ارتعاشات عمدتاً به صورت جانبی رخ می‌دهند و چالشی را ایجاد می‌کنند.
آزمایشات اولیه بر روی یک نمونه اولیه که در خانه طراحی و مونتاژ شده بود انجام شد. دور دوم آزمایش‌ها با یک نمونه اولیه رسمی، در یک مغازه با تلورانس‌ها و تناسب درست انجام شد. در طول این آزمایشات کمترین صدا وجود داشت و پایه بسیار سفت و سخت بود. همانطور که در آزمایش قبلی مشاهده کردیم که پایداری پایه بسیار مهم است.
با محکم شدن پایه مستقیم به بتن، پایه لرزش بسیار کمی را تجربه کرد و در بالاترین ارتعاش ثبت شده کمترین صدا وجود داشت. هنگامی که روی ریل نصب می‌شد، هنوز صدا و حرکت کمتری در پایه وجود داشت، اما میزان ارتعاش بالاتر بود و پایه کمی پایدارتر بود.
اگر در پایه نصب شده روی نرده ها مشکلات قابل توجهی لرزش یا نویز وجود دارد، توصیه می کنیم برای محدود کردن حرکت در ریل، بست های بتنی بیشتری اضافه کنید.
لرزش در هواپیماهای بدون سرنشین
شباهت هایی را می توان بین ارتعاش مشاهده شده در پایه رانش و ارتعاش مشاهده شده در هواپیماهای بدون سرنشین یافت. در هر دو مورد، لرزش ناشی از حرکت پروانه و موتور است، با پیچیدگی‌های اضافی برای پهپادها، زیرا آنها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که حرکت ثابتی داشته باشند و وسایل الکترونیکی شکننده را حمل کنند.
پهپادها به سنسورهای زیادی برای نظارت بر سیستم و ارائه داده‌های مفید در مورد موقعیت و سرعت خودرو مجهز هستند، اما آزمایش‌های اضافی در آزمایشگاه می‌تواند به پیش‌بینی و جلوگیری از آسیب‌های ناشی از لرزش به ساختار و قطعات الکترونیکی شکننده کمک کند.
شکل 5: یک پهپاد در حال پرواز با بار دوربین
تجزیه و تحلیل ارتعاش یک قاب چند روتور به طور عمیق در مرجع [2] با برخی از شباهت ها به آزمایش های شرح داده شده در این مقاله توضیح داده شده است. ابتدا یک آزمایش پیشرانه برای تعیین سرعت چرخشی که در آن ملخ بیشترین ارتعاش را القا می کند، انجام می شود.
با این اطلاعات، یک تحلیل مودال شبیه‌سازی تکمیل می‌شود و پس از آن یک آزمایش برانگیختگی برای مشاهده چگونگی تأثیر فرکانس‌ها بر سیستم تکمیل می‌شود.
نتیجه گیری
همانطور که نشان داده شد، فرآیند تست ارتعاش برای پایه های رانش و اجزای پهپاد مشابه است. شبیه سازی و محاسبات بخش مهمی از فرآیند است و به دنبال آن آزمایش تجربی انجام می شود.
این آزمایش‌ها می‌توانند بینش مهمی را برای طراحان فراهم کنند و در نهایت می‌توانند به کاهش لرزش در ابزارهای آزمایشی و وسایل نقلیه هوایی که آزمایش می‌کنند کمک کنند.
