Aeroelastisitet

Aeroelastisitet er en disiplin som omhandler studiet av fenomener som stammer fra den gjensidige interaksjonen mellom solide elastiske strukturer (som vinger, henge- eller skråbroer , etc.), og væskestrømmene som investerer dem.

Mer presist kan vi referere til den utmerkede definisjonen av Collar (1947): "Aeroelastisitet er studiet av den gjensidige interaksjonen mellom treghets-, elastiske og aerodynamiske krefter som virker i et fast stoff som er utsatt for en væskestrøm og påvirkningen av denne studien på utforming av strukturen". [1]

Aeroelastiske fenomener påvirker to hovedfelt innen konstruksjonsteknikk:

• luftfart og romfart
• sivile og mekaniske.

Introduksjon

Selv om betydningen av væske-struktur-interaksjon ikke ble forstått på lenge, var konsekvensene tydelige fra begynnelsen av flukthistorien og også i konstruksjoner som Tacoma-broen. I hovedsak dreide det seg om feil på grunn av stadig større svingninger som førte til at strukturen kollapset på grunn av store deformasjoner og påfølgende overskridelse av materialenes motstandsgrenser.

Et aeroelastisk system kan generelt uttrykkes i matriseform med ligningen :

der kolonnevektoren x representerer settet med strukturelle variabler for problemet, og med underskriften ( s, a) mener vi summen av bidragene som stammer fra den strukturelle og aerodynamiske modellen.

Forskjellen mellom aerodynamiske og aeroelastiske fenomener

Vindens virkning på bygninger kan vurderes i henhold til forskjellige tilnærminger, der noen fenomener vurderes eller ikke:

• strengt aerodynamiske fenomener: der responsvirkningen til strukturen på det fluiddynamiske feltet er ubetydelig;
• aeroelastiske fenomener: der responsvirkningen til strukturen på det fluiddynamiske feltet ikke er ubetydelig.

I det første tilfellet endrer ikke bevegelsen til strukturen forårsaket av den innfallende vinden karakteristikkene til luftstrømmen.

I det andre tilfellet er imidlertid vindens egenskaper fullstendig modifisert av bevegelsen til strukturen forårsaket av luftstrømmen, siden deformasjonen bestemmer begynnelsen av bevegelser i den oppfordrende væsken.

Videre, med deformasjonen, blir eksponeringen av strukturen for strømmen modifisert.

Disse to effektene bestemmer derfor en betydelig variasjon også i påvirkningene indusert av vinden på strukturen.

Modelleringen av handlingene på grunn av vinden utføres vanligvis som summen av:

• aerodynamiske krefter: på grunn av innfallende atmosfærisk turbulens
• aeroelastiske eller selveksiterte krefter: på grunn av kroppens bevegelse.

På samme måte er bevegelsene til en struktur truffet av en vindfull strøm delt inn i:

• tvungne oscillasjoner i nærvær av aerodynamiske krefter
• selveksiterte oscillasjoner i nærvær av aeroelastiske krefter.

I det første tilfellet virker en ytre kraft på strukturen (aerodynamiske spenningskrefter) og derfor uavhengig av selve kroppens bevegelse.

I dette tilfellet, hvis tvangskraften har en frekvens som er lik den naturlige frekvensen til det oscillerende mekaniske systemet, er det fenomenet resonans som involverer forsterkning av spenningene og forskyvningene (som i det teoretiske tilfellet med nulldempningsfaktor har en uendelig verdi ).

I det andre tilfellet avhenger forseringen (aeroelastiske eller selveksiterte spennende krefter) av bevegelsen til systemet (som elastiske, treghets- og viskøse krefter) samt av noen kritiske verdier som avgrenser stabilitetsområdet, der bevegelsen dempes, fra ustabiliteten der bevegelsen forsterkes.

De selveksiterte kreftene, av aeroelastisk natur, endrer oppførselen til strukturen ved å modifisere sine egne frekvenser og dempningsfaktorer.

Vindhastigheter er definert som kritiske når overskridelse gjør dempingen negativ og/eller strukturen ustabil.

I henhold til ministerdekretet av 14.01.2008 gir den første situasjonen opphav til aeroelastiske fenomener som vanligvis kalles:

• galopperende (galopp): typisk for ikke-sirkulære konstruksjonselementer
• flagre : typisk for henge- eller skråstagsbroer eller bæreblader.

Den andre situasjonen gir opphav til et aeroelastisk fenomen som vanligvis kalles torsjonsdivergens , typisk for veldig tynne plater som reklameskilt.

Generelt, i konstruksjonsteknikk, er aeroelastiske fenomener klassifisert i fire kategorier:

• Dynamiske aeroelastisitetsfenomener:
  • virvelavstøtende og synkroniseringsfenomener ( lock-in )
  • galopperende svingninger _
  • flagre (også inkludert buffing )
• Statiske aeroelastisitetsfenomener:
  • torsjonsdivergens _ _

Hvert av de ovennevnte fenomenene kan forårsake kollaps av en struktur, som skjedde for eksempel for Tacoma Narrows-broen på grunn av aeroelastisk ustabilitet på grunn av flagrefenomenet .

Fra det virkelige synspunkt, siden de aerodynamiske og aeroelastiske fenomenene påvirker hverandre, er det praktisk talt umulig å identifisere separasjonsgrensen for det samme.

Merknader

1. ^ AR Collar, De første femti årene med aeroelasticity , i Aerospace , 2, vol. 5, 1978, s. 12-20.

Bibliografi

• Bisplinghoff, RL, Ashley, H. og Halfman, H., Aeroelasticity . Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6 , 880 sider;
• Collar, AR, "De første femti årene med aeroelasticity," Aerospace, vol. 5, nei. 2, s. 12-20, 1978
• Dowell, EH, Et moderne kurs om aeroelastisitet . ISBN 90-286-0057-4 ;
• Fung, YC, en introduksjon til teorien om aeroelastisitet . Dover, 1994, ISBN 978-0-486-67871-9 ;
• Garrick, IE og Reed WH, "Historisk utvikling av flyfladder," Journal of Aircraft, vol. 18, s. 897-912, november 1981.
• Hodges, DH og Pierce, A., Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity , Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5 ;
• Hoque, ME, "Active Flutter Control", LAP Lambert Academic Publishing, Tyskland, 2010, ISBN 978-3-8383-6851-1 .
• Wright, JR og Cooper, JE, Introduction to Aircraft Aeroelasticity and Loads , Wiley 2007, ISBN 978-0-470-85840-0 .

Andre prosjekter

• Wiktionary inneholder ordboklemmaet « aeroelasticity »