Модель имитирует переменную жесткость закрылков для обеспечения наилучшей подъемной силы

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 7 апреля 2023 г., 13:54:05 MSK
  • 0 комментариев
  • 53 просмотра
Существует обширное исследование того, как закрылок с фиксированным положением влияет на подъемную силу в области взаимодействия жидкости и конструкции. Итак, исследователи провели вдохновленное биологией исследование с новым изюминкой - изменяющейся жесткостью с течением времени, подобно тому, как птица может напрягать мускулатуру и сухожилия, соединенные со скрытыми перьями, - чтобы узнать больше о том, как это влияет на подъемную силу. Результаты показали 136-процентную выгоду.

Существует обширное исследование того, как закрылок с фиксированным положением влияет на подъемную силу в области взаимодействия жидкости и конструкции. Однако, направив разговор в новое русло, исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн провели вдохновленное биологией исследование с новым подходом - переменной жесткостью - чтобы узнать больше о том, как это влияет на подъемную силу.

Исследователи задались вопросом, могут ли они смоделировать закрылок на аэродинамическом профиле, или крыле, с изменяющейся жесткостью с течением времени, подобно тому, как птица может напрягать мускулатуру и сухожилия, соединенные со скрытыми перьями.

"Из предыдущих исследований мы знаем, что наличие закрылка с некоторой жесткостью может помочь увеличить подъемную силу в режиме сваливания", - сказал Андрес Гоза, профессор кафедры аэрокосмической инженерии UIUC. "Итак, напрашивается вопрос: что, если бы вы могли настроить жесткость? Какая от этого была бы польза?"

Результаты исследования показали большую пользу. "Наш лоскут с переменной жесткостью был лучше, чем без лоскута, на 136 процентов и на 85 процентов лучше, чем лоскут с наилучшей возможной одинарной жесткостью из более раннего исследования, которое мы провели".

Гоза и его ученик Нирмал Наир смоделировали привод переменной жесткости на закрылке, прикрепленном к аэродинамическому профилю с помощью пружины кручения, чтобы создать гибридный контроллер, который изменяет жесткость с течением времени. Сам клапан никоим образом не может провисать или сгибаться. Жесткость относится к тому, насколько плотно пружина кручения удерживает заслонку.

"В ходе моделирования мы обучили контроллер, который определял определенное значение в спектре от очень жесткого до очень рыхлого. Контроллер был создан с использованием обучения с подкреплением и обучен выбирать жесткость для улучшения подъемной силы аэродинамического профиля", - сказал Гоза.

"Используя приводы переменной жесткости, мы получаем изменения значений жесткости пружины. Пружина представляет собой упрощенную модель. На практике эта функциональность может быть реализована с помощью приводов переменной жесткости, хотя это нетривиальный шаг, который потребует новых исследовательских усилий, выходящих за рамки того, что мы рассмотрели. Результаты нашей парадигмы настраиваемой жесткости были сопоставлены с наилучшим возможным вариантом одиночной жесткости, полученным путем построения карты характеристик для нескольких различных симуляций, соответствующих одному значению жесткости в каждой."

Гоза сказал, что улучшение подъемной силы достигается за счет колебаний закрылков большой амплитуды, поскольку жесткость изменяется на четыре порядка величины.

"В течение первых девяти временных единиц контроллер пробовал различные жесткости и узнал, что произошло", - сказал Гоза. "Затем мы отключили его на оставшуюся часть моделирования: в определенный момент времени он решает изменить жесткость и активно адаптируется с течением времени, основываясь на том, что делает поток, чтобы увеличить подъемную силу".

Гоза сказал, что разработать подобную стратегию контроля сложно.

"При изменении жесткости заслонка перемещается. Затем движение заслонки изменяет поток воздуха вокруг нее, так что происходит сложное сцепление", - сказал Гоза. "Теперь заслонка будет по-другому реагировать на изменение поля потока вокруг нее, и по мере изменения поля потока отклик заслонки снова изменится. Моделирование этой двусторонней связи является источником сложности.

"Сильная сторона нашей работы в том, что мы моделируем все это. Мы полностью учитываем двустороннюю связь между структурным движением и откликом. И это ключ к разработке точного контроллера. Мы должны быть в состоянии сказать: "Когда я изменю жесткость, произойдет вот какое взаимодействие", и использовать это, чтобы придать ему лучший подъем".

Гоза сказал, что чаще всего, когда люди думают о контроле, речь идет об обратной связи. Мы получаем информацию о системе, а затем используем эту информацию для принятия решения. Есть последствия, и вы продолжаете самокорректироваться.

"Этот гибридный контроллер настраивает жесткость, но мы называем его гибридным, потому что мы не управляем движением закрылков напрямую. Мы просто говорим, что заслонка имеет определенную жесткость, и я собираюсь активировать ее и изменить жесткость. Все, что происходит дальше, основано на физике этой жесткости. Заслонка почувствует, что происходит в потоке, и начнет разворачиваться сама по себе. И это начнет вызывать другую динамику".

Гоза сказал, что наиболее естественным применением для этого исследования являются незанятые транспортные средства, оснащенные бортовыми компьютерами.

"Для этих небольших самолетов порывы ветра могут оказывать гораздо большее воздействие", - сказал Гоза. "Они должны быть более маневренными, например, при стихийных бедствиях может возникнуть необходимость добраться до места, куда людям нелегко добраться".

Он добавил, что вычисления полезны, "потому что вы можете позволить контроллеру изменять жесткость на 4 порядка величины, и каким бы ни было результирующее число, оно просто используется при моделировании. Вы не ограничены физическими ограничениями. Это позволяет нам исследовать пространства параметров, о которых мы иначе не знали бы, и использовать это как трамплин для мотивации умных экспериментаторов к осознанию этих диапазонов параметров.

"На данном этапе исследования конструктивных конструкций, которые претерпевают требуемые изменения жесткости, не существует. Таким образом, вычисления могут вдохновить ученых-материаловедов на разработку новых материалов / парадигм проектирования конструкций, которые могут это сделать", - сказал Гоза.

Комментарии

0 комментариев