Kinematický a dynamický popis pohybu kinematického mechanismu náběžné hrany morfovatelného křídla
Loading...
Date
Authors
Janega, Tomáš
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Kontrola zmeny profilu krídla a zameranie na vývoj riadiaceho mechanizmu môže v budúcnosti priniesť množstvo zlepšení v leteckých aplikáciach. Hlavnými výhodami sú zníženie hluku z leteckej dopravy a redukcia spotreby paliva. Menšia spotreba paliva ma ďalej za následok lacnejšiu prevádzku letu a znížený dopad na životné prostredie. Aj napriek výhodám má zmena profilu krídla svoje obmedzenia, medzi ktoré patrí návrh optimálnej geometrie hnacieho mechanizmu, možnosť jeho zaťaženia, hmotnosť a kontrola ovládania. Návrh optimálnej geometrie je dôležitý najmä z hladiska potreby laminárneho prúdenia na nábežnej hrane krídla. Ideálne by nábežná hrana nemala obsahovať prvky, ktoré toto prúdenie narúšajú. Zároveň je stále potrebná schopnosť ovládať zmenu daného profilu. To môže byť dosiahnuté optimálne navrhnutým mechanizmom pripojeným na flexibilný plášť profilu krídla. Aby sa dal takýto mechanizmus navrhnúť, je nutné pochopiť ako reaguje za rôznych podmienok pri pohybe a zaťažení. Pomocou naprogramovania mechanizmu v jazyku Python je to možné simulovať. Najprv musí byť vytvorený počiatočný model, v tomto prípade v 3D softvéry Inventor. Odtiaľ je možné extrahovať vstupné údaje, ktorými sú geometria, hmotnosti a momenty zotrvačnosti telies. Tie sú potrebné pri zostavovaní kinematických a dynamických rovníc. Kinematická analýza rieši mechanizmus ako rovinnú úlohu, kde dokonalo tuhé telesá vykonávajú rotačný alebo obecný rovinný pohyb. Počiatočné neznáme parametre sú riešené pomocou vektorovej metódy. Touto metódou vzniknú rovnice pre uzavretý kinematický reťazec, z ktorého je možné riešiť tieto neznáme parametre. V tomto prípade však vznikne sústava transcendentných rovníc a preto je nutné ju riešiť numericky. Podobným princípom sú koncipované rovnice pre zrýchlenia použité v dynamickej analýze. Táto analýza je zameraná na zostavenie silových a momentových rovníc využitím d’Alembertovho princípu a metódy úplného uvolnenia sústavy na jednotlivé telesa. Po vytvorení príslušných rovníc je pre jednoduchú riešiteľnosť zostavená matica neznámych parametrov X a matice A, B známych hodnôt. Matica neznámych parametrov je potom riešena numericky. Po kompletnej analýze je možné vykresliť pohyb mechanizmu, ktorý vychádza z kinematických rovníc, priebeh síl a momentu. Momentová charakteristika je dôležitá pre návrh ideálneho aktuátoru, ktorý bude ovládať pohyb mechanizmu. Tieto výsledky poskytujú komplexný prehľad dynamickej odozvy mechanizmu a simulujú jeho použitie v leteckej aplikácií.
Controlling the shape and focusing on developing the morphing wing mechanism may bring many improvements in areas like reducing drag, noise pollution and fuel consumption through an ideal wing shape during flight. Reducing fuel consumption further minimises the impact on the environment and flight costs. However, despite the apparent benefits, morphing of the leading edge comes with challenges, such as optimal mechanism geometry, load-bearing capabilities, weight and control. Due to laminar flow requirements, it’s vital to select an appropriate geometry for the leading edge, disallowing gaps between the wing components, while maintaining the ability to change shape. This could be achieved by using a rigid body mechanism, described in this thesis, attached to the outer morphing surface. To design the ideal mechanism, it’s necessary to understand how it behaves in various conditions while moving and under dynamic load. This is possible by creating a kinematic model in Python. First, the initial design has to be developed to extract parameters, including geometry, weight and moment of inertia for the analysis. Utilising the closed-loop kinematic method, numerical calculations and setting the initial angular acceleration of the driving arm enables the solution of the unknown kinematic values. It is then possible to describe the mechanism’s motion and derive further acceleration equations for bodies, used in the dynamic equations. The dynamic analysis employs d’Alembert’s principle and the complete constraint release method to obtain internal forces in the joint connections. This allows for a realistic simulation of reaction forces under operational conditions, e.g. external aerostatic load. Calculating the driving moment is critical for the ideal actuator sizing used in this application. After completing both analyses, the forces are plotted in graphs to present their values over the set time segment. These results provide insight into the mechanism’s dynamic response and validate its possible application in a morphing wing.
Controlling the shape and focusing on developing the morphing wing mechanism may bring many improvements in areas like reducing drag, noise pollution and fuel consumption through an ideal wing shape during flight. Reducing fuel consumption further minimises the impact on the environment and flight costs. However, despite the apparent benefits, morphing of the leading edge comes with challenges, such as optimal mechanism geometry, load-bearing capabilities, weight and control. Due to laminar flow requirements, it’s vital to select an appropriate geometry for the leading edge, disallowing gaps between the wing components, while maintaining the ability to change shape. This could be achieved by using a rigid body mechanism, described in this thesis, attached to the outer morphing surface. To design the ideal mechanism, it’s necessary to understand how it behaves in various conditions while moving and under dynamic load. This is possible by creating a kinematic model in Python. First, the initial design has to be developed to extract parameters, including geometry, weight and moment of inertia for the analysis. Utilising the closed-loop kinematic method, numerical calculations and setting the initial angular acceleration of the driving arm enables the solution of the unknown kinematic values. It is then possible to describe the mechanism’s motion and derive further acceleration equations for bodies, used in the dynamic equations. The dynamic analysis employs d’Alembert’s principle and the complete constraint release method to obtain internal forces in the joint connections. This allows for a realistic simulation of reaction forces under operational conditions, e.g. external aerostatic load. Calculating the driving moment is critical for the ideal actuator sizing used in this application. After completing both analyses, the forces are plotted in graphs to present their values over the set time segment. These results provide insight into the mechanism’s dynamic response and validate its possible application in a morphing wing.
Description
Citation
JANEGA, T. Kinematický a dynamický popis pohybu kinematického mechanismu náběžné hrany morfovatelného křídla [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2025.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Základy strojního inženýrství
Comittee
Ing. Lubomír Junek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. František Šebek, Ph.D. (člen)
Ing. Oldřich Ševeček, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Vosynek, Ph.D. (člen)
Ing. Dávid Halabuk, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Marcián, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jana Horníková, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2025-06-12
Defence
Při obhajobě student nejprve prezentoval svou bakalářskou práci, po skončení prezentace byly předneseny posudky vedoucího práce a oponenta, včetně jejich hodnocení a připomínek. Následně student odpověděl na otázky položené oponentem v posudku.
Poté byly členy komise položeny následující otázky:
Co je to “optimální návrh” křídla a na základě jakých parametrů
Na co se zaměřovala pevnostní analýza a jaká kritéria byla zvolena
Obhajoba práce byla hodnocena jako A-Výborná.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení