تحلیل دینامیکی و کنترل ارتعاشات بال هواپیما از ماده مرکب با وصله‌های عملگر پیزوالکتریک

سبوحیان, کاوه; مامندی, احمد

doi:10.47176/MAJ.2026.1533

تحلیل دینامیکی و کنترل ارتعاشات بال هواپیما از ماده مرکب با وصله‌های عملگر پیزوالکتریک

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

کاوه سبوحیان ¹

احمد مامندی ²

¹ کارشناسی ‌ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران.

² استاد، گروه مهندسی هوافضا، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

10.47176/MAJ.2026.1533

چکیده

در این مقاله، تحلیل دینامیکی بال یک هواپیما از ماده مرکب همراه با وصله‌های حسگر و عملگر پیزوالکتریک به کمک روش اجزای محدود (FEM) توسط نرم‌افزار ABAQUS انجام شده است. تحلیل مودال بال سه‌بعدی ساخته شده از سه نوع ماده مرکب مختلف شامل کولار - اپوکسی، بازالت - اپوکسی و کربن - اپوکسی برای تعیین و مقایسه شکل مودها و فرکانس‌های طبیعی آن انجام شده است. سپس، در تحلیل سازه‌ای بال، توزیع‌های تنش، کرنش و جابه‌جایی به‌دست آمده‌اند. علاوه بر این، با استفاده از کد تهیه شده در نرم‌افزار Matlab/Simullink، با درنظرگرفتن کنترل‌کننده PID حلقه باز و حلقه بسته سیستم، کنترل ارتعاشات بال مورد بررسی قرار گرفته است. نمودارهای پاسخ حلقه باز و بسته سیستم به نیروهای اغتشاشی خارجی وارد بر بال به شکل توابع پله واحد، رمپ و سینوسی استخراج شده‌اند. نتایج به‌دست‌آمده نشان دادند که بال مرکب ساخته شده از ماده کربن - اپوکسی دارای فرکانس‌های طبیعی بالاتری نسبت به بال آلومینیومی است. همچنین، کنترل‌کننده PID حلقه بسته سیستم بال مرکب به همراه وصله‌های عملگر پیزوالکتریک نشان داد که بال در برابر اغتشاشات اعمالی به‌خوبی عمل کرده و پاسخ‌های مناسبی ارائه داده به‌طوریکه جابه‌جایی نوک بال هواپیما به اغتشاشاتی به شکل پله واحد، رمپ و سینوسی به‌ترتیب به میزان %5/96، %98 و 99% کاهش ‌یافته است.

چکیده تصویری

تحلیل دینامیکی و کنترل ارتعاشات بال هواپیما از ماده مرکب با وصله‌های عملگر پیزوالکتریک

کلیدواژه‌ها

تحلیل مودال بال هواپیما از ماده مرکب وصله‌های حسگر

عملگر پیزوالکتریک کنترل‌کننده PID حلقه باز و حلقه بسته

موضوعات

دینامیک ارتعاشات و کنترل

عنوان مقاله English

Dynamic Analysis and Vibrations Control of a Composite Airplane Wing with Piezoelectric Actuator Patches

نویسندگان English

Kaveh Saboohian ¹

Ahmad Mamandi ²

¹ M.Sc. graduate, Department of Mechanical Engineering, Pa.C., Islamic Azad University, Parand, Iran.

² Professor, Department of Aerospace Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.

چکیده English

In this paper, dynamic analysis of a composite wing of a typical airplane with Piezoelectric sensor and actuator patches has been performed using ABAQUS finite element package. The modal analysis for a 3-D model of a specified wing made up of three different composite material including basalt-epoxy, kevlar-epoxy and carbon epoxy has been done to determine and compare modal shapes of the composite wing and its corresponding natural frequencies. Then, based on structural analysis, 3-D distributions of stress, strains and displacements components are obtained. Moreover, using a written code in MATLAB/Simulink applying the PID controller to the model, the vibration control of the composite wing has been investigated. To do this, the responses of both open and closed loop control models of the system with PID controller under external disturbance forces in the form of unit step, ramped and sinousuidal input functions are extracted. It was shown from the obtained results that the composite wing made up of carbon-epoxy material has modal natural frequencies higher than that of aluminum wing. Also, considering the closed loop PID controller for the composite wing with Piezoelectric actuators revealed that a very good performance of the system against applied disturbances in which the active PID controller reduced the wing tip displacement under disturbances in the form of unit step, ramped and sinousuidal functions by 96.5%, 98% and 99%, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Modal Analysis Composite Airplane Wing Piezoelectric Sensor

Actuator patches Open and Closed Loop PID Controller

[1] Ardelean EV, McEver MA, Cole DG, Clark RL. Active flutter control with v-stack Piezoelectric flap actuator. Journal of Aircraft. 2006;43(2):012054. DOI 10.1088/1742-6596/783/1/012054

[2] Tuzcu1 I, Meirovitch L. Control of flying flexible aircraft using control surfaces and dispersed piezoelectric actuators. International Journal of Scientific & Engineering Research. 2006;15:893-903. DOI 10.1088/0964-1726/15/4/001

[3] Raja S, Upadhya AR. Active control of wing flutter using Piezoactuated surface. Journal of Aircraft. 2007;44(1):71-80.

[4] Yildiz K, Eken S, Kaya MO. Active vibration control of aircraft wings modeled as thin-walled composite beams using piezoelectric actuation. Proceedings of the ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, IMECE2014, November 14-20, 2014, Montreal, Quebec, Canada. IMECE2014-38481, 1-8.

[5] Abdulameer HA, Wasmi HR. Vibration control analysis of aircraft wing by using smart material. Innovative Systems Design and Engineering. 2015;6(8):7-42

[6] Davis J. Control of the flexural axis of a wing with Piezoelectric actuation. Journal of Aircraft. 2015;52(2):584-594.

[7] Abdul-hussain Ali A, Mahmood HY, Saeed MW. Active vibration control of aircraft wing using Piezoelectric transducers. International Journal of Scientific & Engineering Research. 2016;7(5):977-984

[8] Wang X, Xia P. Active aeroelastic control of aircraft wings with piezo-composite. International Journal of Computer Applications. 2017;157(10):30-36.

[9] Ali AA, Saeed MW. Active vibration suppression of acrobatic aircraft wing by acceleration feedback controller. International Journal of Computer Applications. 2017;157(10):30-36.

[10] Birs IR, Folea S, Copot D, Ovidiu Prodan O, Muresan C-I. Comparative analysis and exprimental results of advanced control strategies for vibration suppression in aircraft wings. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2017;783:012054. DOI 10.1088/1742-6596/783/1/012054

[11] Ali AA. Stability Improvement of an unmanned aerial vehicle's wing using active vibration control. International Journal of Computer Applications. 2017;157(10):16-21.

[12] Wang X, Zhou W, Guangbin Xun G, Wu Z. Dynamic shape control of Piezocomposite-actuated morphing wings with vibration suppression. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2017;:1-13. DOI 10.1177/1045389X17708039

[13] Tsushima N, Su W. Flutter suppression for highly flexible wings using passive and active piezoelectric effects. Aerospace Science and Technology. 2017;65:78-89. DOI 10.1016/j.ast.2017.02.013

[14] Tsushima N, Su W. Concurrent active Piezoelectric control and energy harvesting of highly flexible multifunctional wings. Journal of Aircraft. 2017;54(2):724-736. DOI 10.2514/1.C033846

[15] Wang X, Zho W, Xun G, Wu Z. Dynamic shape control of piezocomposite-actuated morphing wings with vibration suppression. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2018;29(3): DOI 10.1177/1045389X17708039

[16] Kuriakose VM, Sreehari VM. Study on passive flutter control of damaged composite laminates with piezoelectric patches employing finite element method. Aerospace Science and Technology. 2021;269: 114021. DOI 10.1016/j.compstruct.2021.114021

[17] Sharma N, Swain PK, Maiti DK. Active flutter suppression of damaged variable stiffness laminated composite rectangular plate with piezoelectric patches. Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2024;31(6):1229-1249. DOI 10.1080/15376494.2022.2134611

[18] [18] Kargarnovin MH, Najafzadeh MM, Viliani SN. Vibration control of functionally graded material plate patched with piezoelectric actuators and sensors under a constant electric charge. Smart Materials and Structures. 2007;16(4): 1252-1259. DOI 10.1088/0964-1726/16/4/037

[19] Mamandi A. Vibration control of an axially loaded composite beam bonded with Piezoelectric actuator and sensor layers on a Winkler-Pasternak foundation and under transverse excitation force based on first-order shear deformation theory. SADHANA- Academy Proceedings in Engineering Sciences. 2023;48(4): 191, 1-13. DOI 10.1007/s12046-023-02239-4

[20] Samyal R, Sukhjeet Singh S, Bagha AK. Modal analysis of composite panel at different fiber orientations. Materials Today: Proceedings. 2019;16:477-480. DOI 10.1016/j.matpr.2019.05.118

[21] Vijaya MS. Piezoelectric materials and devices: applications in engineering and medical sciences. 2013, Mc-Graw Hill, USA.

[22] Jones RM. Mechanics of composite materials. 1999, Taylor and Francis, USA.

[23] Ogata K. Modern control engineering. 5th edition. 2008, Mc-Graw Hill, USA.