https://doi.org/10.83048/5rey-1249">

Date of Award

4-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Tariq Taha Darabseh

Second Advisor

Abdel-Hamid Ismail Mourad

Abstract

Flutter, a dynamic divergent instability, is one of the significant phenomena of Aeroelasticity. This dangerous aeroelastic phenomenon can occur to any flexible structure subjected to aerodynamic forces such as aircraft wings, bridges, buildings, etc. It is important to analyze the flutter in order to predict the speed and frequency at which it occurs so that structural damages and failures can be avoided. This thesis is concerned with non-dimensional parametric modeling of the flutter of a viscoelastic tapered wing with an attached engine. The main objectives of this thesis are to determine regions of stability and boundaries of flutter speed and frequency and to examine how various parameters, such as engine thrust and mass, engine location, taper ratio, and the viscoelastic damping, impact the flutter characteristics of the wing. The wing is considered as a cantilever tapered Euler-Bernoulli beam, made of a linear viscoelastic material where the Kelvin-Voigt model is assumed to represent the viscoelastic behavior of the material. The wing is subjected to aerodynamic forces as well as a follower thrust force generated by the engine. Quasi-steady and unsteady assumptions are employed to model the aerodynamic forces. The governing equations of motion are derived through the extended Hamilton’s principle. The resulting partial differential equations are solved via Galerkin’s method along with the classical flutter investigation approach. The study reveals that a tapered wing would be more dynamically stable than a uniform wing. It is also observed that the viscoelastic damping provides a wider stability region for the wing. The investigation shows that the engine thrust and mass have significant effects on the dynamic stability of the wing. The investigated system interactions induce aeroelastic instabilities as the system parameters exceed their certain critical values. The developed model could precisely predict the flutter condition. The obtained theoretical predictions are explained based on real-life cases to give a better understanding of the flutter phenomenon.

Arabic Abstract

الرفرفة (flutter)، حالة عدم الاستقرار الديناميكي المتباينة، هي إحدى الظواهر المهمة للمرونة الهوائية (Aeroelasticity). يمكن أن تحدث هذه الظاهرة الهوائية الخطيرة لأي هيكل مرن يخضع لقوى هوائية مثل أجنحة الطائرات والجسور والمباني وما إلى ذلك. من المهم تحليل الرفرفة من أجل التنبؤ بالسرعة والتردد التي تحدث عندها بحيث يمكن تجنب الأضرار والأعطال الهيكلية. تهتم هذه الأطروحة بالنمذجة البارامترية (parametric) لرفرفة الجناح المذيب اللزج المرن (viscoelastic) مع وجود محرك. تتمثل الأهداف الرئيسية لهذه الأطروحة في تحديد مناطق الاستقرار وحدود سرعة وتردد الرفرفة ودراسة كيفية تأثير العوامل المختلفة، مثل قوة دفع المحرك وكتلته، ومكان المحرك، ومقدار تذبذب الجناح، والتخميد، على خصائص رفرفة الجناح.

يُعتبر الجناح بمثابة عارضة أويلر-برنولي (Euler-Bernoulli beam) مذيب ثنائي، مصنوع من مادة لزجة مرنة حيث يُفترض أن نموذج كلفن-فوجت (Kelvin-Voigt) يمثل سلوك المادة اللزجة. يخضع الجناح لقوى ديناميكية هوائية بالإضافة إلى قوة دفع تابعة ناتجة عن المحرك. يتم استخدام افتراضات شبه ثابتة وغير ثابتة لنمذجة القوى الديناميكية الهوائية. يتم اشتقاق معادلات الحركة من خلال مبدأ هاميلتون الموسع (extended Hamilton’s principle)، ومن ثم يتم حل المعادلات التفاضلية الجزئية الناتجة عن طريق منهج جاليركن (Galerkin’s method) بالإضافة إلى الطريقة التقليدية لتحليل الرفرفة.

كشفت الدراسة أن الجناح المذيب سيكون أكثر استقراراً من الناحية الديناميكية من الجناح المنتظم. ويلاحظ أيضاً أن التخميد اللزج المرن يوفر منطقة استقرار أوسع للجناح. أظهر التحقيق أن قوة دفع المحرك وكتلته لهما تأثيرات كبيرة على الاستقرار الديناميكي للجناح. تؤدي تفاعلات النظام إلى عدم الاستقرار الديناميكي عندما تتجاوز المتغيرات البارامترية (parameters) قيمها الحرجة. يمكن للنموذج المطور أن يتنبأ بدقة بحالة الرفرفة. يتم شرح التنبؤات النظرية التي تم الحصول عليها بناءً على حالات واقعية لإعطاء فهم أفضل لظاهرة الرفرفة.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: المرونة الهوائية، الرفرفة، جناح لزج مرن، قوة دفع تابعة، نموذج كلفن-فوجت، منهج جاليركن، نموذج ثيودورسن للديناميكية الهوائية.

Download
COinS