Нестаціонарні згинальні коливання лопаті ротора вертольота. Частина 1. Власні згинальні коливання лопаті

Заголовок (англійською): 
Non-stationary bending vibrations of helicopter rotor blade under distributed aerodynamic load. Part 1. Blade`s eigenbending vibrations
Автор(и): 
Лук’янов П.В.
Лукан А.В.
Шкриль О.О.
Автор(и) (англ): 
Lukianov P.V.
Lukan A.V.
Shkryl O.О.
Ключові слова (укр): 
лопать ротора вертольоту, власні згинальні коливання прямокутної пластини, аналітичний розв’язок
Ключові слова (англ): 
helicopter rotor blade, bending eigen vibrations of a rectangular plate, analytical solution
Анотація (укр): 
Стабільність поведінки вертольоту під час польоту залежить від багатьох факторів. Один з них безпосередньо пов’язаний з нестаціонарними пружними згинальними коливаннями лопатей ротора. Тиск повітря на поверхню лопаті призводить до появи в даному елементі згинальних деформацій. Оскільки рух ротора вертольоту є періодичним, нестаціонарне навантаження на лопать змінюється за гармонічним законом. В результаті маємо змінний тиск та зміну підйомної сили. Все перелічене призводить до зміни аеродинамічних параметрів, що спричиняє нестійкість руху вертольоту. В даній роботі дослідження згинальних коливань лопаті виконується на основі її моделювання у вигляді тонкої прямокутної пластини. Наявні експериментальні дані фотозйомок зафіксували рух лопаті вертольоту у вигляді коливань, які є подібними до коливань консольно закріпленої пластини. Відомо, що лопаті гелікоптера виготовляються досить жорсткими за рахунок наявних ребер жорсткості - нервюр. Отже, у даній роботі використано гіпотези Кірхгофа-Лява, рівняння Лагранжа-Софі Жермен для моделювання нестаціонарних згинальних коливань лопаті вертольоту як тонкої пластини. Огляд існуючих робіт показав, що вивченню згинальних коливань прямокутної пластини, що описується рівнянням Лагранжа-Софі Жермен, присвячено чимало досліджень. Але, точного розв'язку задачі про вільні коливання пластини у випадку її консольного закріплення немає, існують лише наближені розв'язки з використанням методу Ріца. В даній роботі двома різними способами було здійснено спробу аналітично розв’язати задачу про вільні коливання малої амплітуди тонкої пластини за класичних граничних умов консольного закріплення пластини. Знайдений аналітичний розв’язок методом Леві, як виявилось, не є єдиним. Система рівнянь для визначення коефіцієнтів загального розв’язку має ранг, менший за кількість невідомих. Це вказує на залежність власних чисел задачі, тобто зв’язаність коливань, яка раніше Леві була знайдена за інших граничних умов. Оскільки у даній роботі за мету поставлено знаходження єдиного розв’язку, то у Частині 2 даної роботи буде наведено приклад уточнених граничних умов, які дозволили знайти єдиний розв’язок задачі.
Анотація (англ): 
The stability of helicopter behaviour during flight depends on many factors. One of them is directly related to the non-stationary elastic bending vibrations of the rotor blades. Air pressure on the blade surface causes bending deformations in this element. Since the movement of the helicopter rotor is periodic, the non-stationary load on the blade varies according to a harmonic law. As a result, we have a variable pressure and a change in lift. All of the above leads to a change in aerodynamic parameters, which causes helicopter motion instability. In this paper, the study of the blade's bending vibrations is based on its modelling as a thin rectangular plate. The available experimental data from photographs recorded the movement of the helicopter blade in the form of oscillations similar to those of a cantilevered plate. It is known that helicopter blades are made quite rigid due to the existing stiffeners - nerves. Therefore, in this work, the Kirchof-Love hypothesis and the Lagrange-Sophie Germain equation are used to simulate the non-stationary bending vibrations of a helicopter blade as a thin plate. A review of existing works has shown that many studies have been dedicated to the study of bending vibrations of a rectangular plate described by the Lagrange-Sophie Germain equation. However, there is no exact solution to the problem of free vibrations of a plate in the case of its cantilever mounting. There are only approximate solutions using the Ritz method. In this paper, an attempt was made to solve analytically the problem of free oscillations of small amplitude of a thin plate under classical boundary conditions of cantilevered plate fixation by two different methods. As it turned out, the analytical solution obtained by the Levy method is not unique. The system of equations for determining the coefficients of the general solution has a rank less than the number of unknowns. This indicates the dependence of the eigenvalues of the problem, i.e. the coupling of oscillations, which was previously found by Levy under other boundary conditions. Since the goal of this paper is to find a single solution, Part 2 of this paper presents an example of refined boundary conditions that allowed us to find a single solution to the problem.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 115
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 115
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Дата публікації: 
23 Декабрь 2025
Номер збірника: 
Університет автора: 
National Technical University of Ukraine ‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute’, 37 Beresteysky ave., Kyiv-56, 03056 , Kyiv National University of Construction and Architecture, 31 Povitrianykh Syl ave., Kyiv-80, 03680
References: 
 
  1. Junhao Zhang, Pinqi Xia. Aeromechanical Stability of a Bearingless Rotor Helicopter with Double-Swept Blades // Journal of Aircraft. - March–April 2021.-vol. 58, No.2, p.244-252.
  2. Dominique Fleischmann, Mudassir Lone, Simone Weber, Anuj Sharma. Fast Computational Aeroelastic Analysis of Helicopter Rotor Blades // Proceedings of 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting. 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida, USA. https://doi.org/10.2514/6.2018-1044
  3. S. Maksimovic1 ; M. Kozic2 ; S. Stetic-Kozic3 ; K. Maksimovich ; I. Vasovich ; and M. Maksimovic. Determination of Load Distributions on Main Helicopter Rotor Blades and Strength Analysis of Its Structural Components // Journal of Aerospace Engineering.-2014. - Volume 27, Issue 6.  https://doi.org/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000301
  4. M.V. Vasylenko, O.M. Alekseichuk. Teoriia kolyvan i stiikosti rukhu (Theory of oscillations and stability of motion).// Pidruchnyk.-K. Vyshcha shkola. - 2004,525s.
  5. S. Timoshenko, S. Woinowsky-Krieger. Theory of Plates and Shells.// MCGRAW-HILL BOOK COMPANY-1959, 594p.
  6. Young, D.: Vibration of Rectangular Plates by the Ritz Method. J. Appl. Mech.- Dec.1950. - vol. 17, no. 4, pp. 448-453.
  7. Arthur W. Leissa. Vibration of Plates //NASA SP-160.-1969.- 353p.
  8. Barton, M.V. Vibration of Rectangular and Skew Cantilever Plates //J. Appl. Mech. –Jun. 1951.- vol.18(2):129-134. https://doi.org/10.1115/1.4010265
  9. Barton M.V. Free Vibration Characteristics of Cantilever Plates // Defense Res. Lab. Rept.DLR-222,CM 570,Univ.Texas.- Dec.1949. https://apps.dtic.mil/sti/citations/AD0609742
  10. Leissa A. W. The free vibration of rectangular plates // J. Sound Vib.– 1973.– 31.– P. 257–293.
  11. V.V.Meleshko, S.O. Papkov. Zghynni kolyvannia pruzhnykh priamokutnykh plastyn z vilnymy kraiamy: vid Khladni (1809) y Rittsa (1909) do nashykh dniv (Bending vibrations of elastic rectangular plates with free edges: from Chladni (1809) and Ritz (1909) to the present day) //Akustychnyi visnyk/ - 2009.- t.12 № 4,s.34-51.
  12. Navier, Bull.soc.phil.-math., Paris, 1823.