Geri Dön

Modelling-control of shimmy oscillations in aircraft landing gear and application design

Uçak iniş takımlarında shimmy titreşiminin modellenmesi kontrolü ve uygulama tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 886886
  2. Yazar: KEMAL OKUYAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SEHER EKEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Otonom Sistemler Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Havacılık endüstrisinde, bir uçağın güvenli bir şekilde havalanması, uçuşu sürdürmesi ve nihayetinde güvenli bir şekilde yere inmesi, uçağın farklı sistemlerinin bir arada sorunsuz bir şekilde çalışmasına bağlıdır. Bu sistemler arasında iniş takımı, özellikle yere iniş, kalkış ve taksi gibi kritik operasyonlar sırasında uçağın stabilite ve güvenliğini sağlayan en önemli bileşenlerden biri olarak ön plana çıkar. İniş takımı, sadece uçağın havacılık faaliyetlerini başarılı bir şekilde yerine getirmesi için değil, aynı zamanda yerdeki tüm operasyonlarının güvenli bir şekilde gerçekleştirilmesi için de tasarlanmış bir sistemdir. İniş takımı olmadan, bir uçağın yer operasyonlarını gerçekleştirmesi mümkün değildir, bu nedenle iniş takımı, havacılığın ayrılmaz bir parçası olarak kabul edilir. İniş takımları, uçağın yerle temas ettiği ilk andan itibaren devreye girer. Uçağın ağırlığı, iniş sırasında büyük bir kuvvetle iniş takımları üzerine biner ve bu kuvvetlerin uçağın gövdesine zarar vermeden emilmesi gerekir. Ayrıca, iniş sırasında meydana gelebilecek herhangi bir dengesizlik, uçağın ciddi hasar almasına veya tehlikeli durumların oluşmasına neden olabilir. Bu nedenle, iniş takımları sadece uçağın ağırlığını taşımakla kalmaz, aynı zamanda bu yükü güvenli bir şekilde dağıtarak uçağın stabilitesini korur. İniş takımları, uçağın hareket halindeyken ya da yerde durduğu sürece sürekli olarak bu dengeyi sağlamak zorundadır. Uçakların farklı kullanım amaçlarına ve tasarımlarına bağlı olarak, iniş takımlarının konfigürasyonları da çeşitlilik gösterir. Genel olarak, iki ana iniş takımı konfigürasyonu bulunmaktadır: Tail-Wheel (Kuyruk-Tekerlek) ve Tricycle (Üç Tekerlekli) konfigürasyonları. Tail-Wheel konfigürasyonu, uçağın ön kısmında iki ana iniş takımının ve arka kısmında tek bir kuyruk iniş takımının bulunduğu bir yapıya sahiptir. Bu yapı, özellikle hafif uçaklar, eski model uçaklar ve bazı helikopterler gibi daha küçük hava araçlarında tercih edilir. Kuyruk-Tekerlek konfigürasyonunun, uçağın kalkış ve iniş sırasında daha hassas bir denge gerektirmesi, bu tür uçakların pilotlarının dikkatini ve deneyimini önemli kılar. Kuyruk iniş takımının konumu, uçağın dengesinin korunmasında kritik bir rol oynar ve özellikle düzensiz zeminlerde iniş veya kalkış sırasında pilotların daha dikkatli olmasını gerektirir. Bununla birlikte, modern havacılıkta yaygın olarak kullanılan Tricycle konfigürasyonu, uçağın burun kısmında bir burun iniş takımı ve arka kısmında iki ana iniş takımından oluşur. Bu konfigürasyon, günümüzün büyük yolcu uçakları ve askeri jetlerde standart bir hale gelmiştir ve bu uçakların yerde daha fazla stabilite ve manevra kabiliyeti sağlamasına olanak tanır. Tricycle konfigürasyonu, uçağın kalkış ve iniş işlemlerinin daha kolay ve güvenli bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlar, bu da bu konfigürasyonu modern havacılıkta yaygın hale getiren en önemli faktörlerden biridir. Ayrıca, bu konfigürasyon, uçakların farklı yüzeylerde daha iyi performans göstermesine yardımcı olur, bu da çeşitli hava koşullarında uçak operasyonlarının sorunsuz bir şekilde gerçekleştirilmesine katkıda bulunur. Ancak, iniş takımı tasarımı ve konfigürasyonları, sadece uçağın stabilitesini ve güvenliğini sağlamakla kalmaz; aynı zamanda çeşitli fiziksel fenomenlere karşı da dayanıklı olmalıdır. Bu fenomenlerden biri olan shimmy, iniş takımlarında sıklıkla karşılaşılan ve özellikle uçakların yüksek hızlarda hareket ettiği durumlarda ciddi tehlikeler yaratabilen bir olgudur. Shimmy, iniş takımının yanal (lateral) ve yalpa (yaw) hareketlerini birleştirerek ortaya çıkan salınımlı bir hareketi ifade eder. Bu salınımlar, iniş takımı bileşenlerinin dinamik özellikleri ile lastiklerin yapısal özellikleri arasındaki karmaşık etkileşimlerin bir sonucudur. Shimmy salınımlarının şiddeti ve genliği, birçok faktöre bağlı olarak değişebilir ve bu salınımlar, uçak stabilitesini ciddi şekilde tehdit edebilir. Shimmy fenomeni, özellikle yüksek hızlarda veya iniş sırasında meydana geldiğinde, uçak operasyonları için kritik bir risk oluşturur. Hem burun iniş takımı hem de ana iniş takımları shimmy salınımlarına maruz kalabilir; ancak, Tricycle konfigürasyonunda burun iniş takımı ve Tail-Wheel düzeninde kuyruk iniş takımı özellikle shimmyye karşı duyarlıdır. Bu tür salınımlar, iniş takımının yapısal bütünlüğünü tehlikeye atabilir, bu da uçağın güvenliğini riske sokabilir. Shimmy fenomeni, iniş takımında yapısal hasarlara, yolcular için rahatsız edici titreşimlere ve en kötü durumda uçak kazalarına yol açabilecek ciddi bir sorundur. Bu nedenle, shimmy salınımlarının kontrol altına alınması ve minimize edilmesi, iniş takımı tasarımında en önemli hedeflerden biri olarak kabul edilir. Shimmy fenomeninin geniş çaplı bir sorun olması, mühendisler ve araştırmacılar tarafından yoğun olarak çalışılmasına yol açmıştır. Bu çalışmaların büyük bir kısmı, shimmy salınımlarını anlamak ve önlemek için matematiksel modelleme, analitik inceleme ve simülasyon tekniklerine dayanmaktadır. Shimmy, uçağın ileriye doğru hareketiyle tetiklenen ve lastik deformasyonları, iniş takımının elastik özellikleri ve yüzey düzensizlikleri gibi faktörlerin etkisi altında gelişen kendiliğinden uyarılan salınımlar olarak tanımlanır. Bu salınımlar, küçük rahatsızlıklardan yapısal hasarlara kadar uzanan geniş bir etki spektrumuna sahip olabilir. Shimmy fenomeninin bu denli karmaşık ve tehlikeli olması, iniş takımı tasarımında kapsamlı bir analiz ve modelleme gerektirir. Shimmy fenomenini incelemek için kullanılan analitik yöntemler, iniş takımlarının dinamik davranışını ve yapısal bütünlüğünü modellemek amacıyla kapsamlı ve detaylı matematiksel yaklaşımlar gerektirir. Bu tür analizlerde, iniş takımlarının karmaşık dinamik yapısını tam olarak temsil edebilmek için genellikle Lagrange denklemi temel alınır. Lagrange denklemleri, enerjinin korunumu ilkelerine dayanan güçlü bir matematiksel araç olarak, fiziksel sistemlerin hareket denklemlerini türetmekte kritik bir rol oynar. Bu denklemler, bir sistemin potansiyel ve kinetik enerjisini dikkate alarak, sistemi tanımlayan diferansiyel denklemleri oluşturur. Özellikle shimmy fenomeninin anlaşılmasında, bu yöntemler büyük önem taşır. Shimmy, iniş takımlarında, genellikle yüksek hızlarda karşılaşılan ve kontrol edilmezse uçuş güvenliğini tehdit edebilecek tehlikeli bir salınım türüdür. Bu fenomeni analiz etmek amacıyla geliştirilen matematiksel modeller arasında, farklı derecelerde serbestlik içeren sistemler bulunmaktadır. Örneğin, shimmy davranışını temsil eden basit bir model, üçüncü dereceden, bir serbestlik dereceli bir sistem olabilir. Bu tür bir model, yaw (sapma) hareketini temsil eder ve shimmy salınımlarının temel dinamiklerini incelemek için yeterlidir. Bununla birlikte, daha karmaşık durumları analiz etmek için, hem yaw hem de lateral (yanal) hareketleri kapsayan beşinci dereceden, iki serbestlik dereceli sistemler de kullanılabilir. Bu daha gelişmiş modeller, iniş takımının hareketinin daha geniş bir spektrumunu kapsar ve shimmy fenomeninin daha kapsamlı bir şekilde incelenmesine olanak tanır. Bu modellerin temel amacı, shimmy salınımlarının dinamik özelliklerini anlamak ve bu salınımların iniş takımına ve dolayısıyla uçuş güvenliğine olan potansiyel etkilerini değerlendirmektir. Shimmy'nin ortaya çıkması ve büyümesi, iniş takımının yapısal bütünlüğünü tehdit edebilir ve bu nedenle bu fenomenin önceden tespit edilmesi ve kontrol altına alınması hayati öneme sahiptir. Bu bağlamda, sistemlerin stabilitesini incelemek, shimmy riskini değerlendirmenin önemli bir parçasıdır. Stabilite analizlerinde, sistemin karakteristik denkleminin köklerini ve bu köklerin gerçek eksen üzerindeki konumlarını değerlendirmek için Routh-Hurwitz kriterleri gibi yöntemler kullanılır. Routh-Hurwitz kriterleri, sistemin stabil olup olmadığını belirlemek için matematiksel olarak sağlam bir temel sağlar. Sistem köklerinin gerçek eksende olup olmadığı, shimmy fenomeninin başlaması ya da büyümesi açısından kritik bir gösterge olup, bu köklerin kompleks düzlemdeki konumu, sistemin uzun vadeli davranışını belirler. Matematiksel modellerin türetilmesinden sonra, bu modeller üzerinde çeşitli simülasyonlar gerçekleştirilir. Simülasyonlar, MATLAB ve Simulink gibi gelişmiş yazılımlar kullanılarak yapılır. Bu simülasyonlar, iniş takımı dinamiklerini ve shimmy fenomenini daha iyi anlamak için önemli veriler sağlar. Simülasyonların yanı sıra, modellere Linear Quadratic Regulator (LQR) kontrolcü tasarımı gibi kontrol stratejileri uygulanır. LQR kontrolcüleri, sistemin performansını optimize etmek amacıyla geri besleme kazançlarını belirler ve böylece shimmy salınımlarını minimize eder. Bu kontrol stratejileri, shimmy fenomenini kontrol altına almak ve minimize etmek için etkili bir çözüm sunar. Bu tür analiz süreçlerini daha pratik ve kullanıcı dostu hale getirmek için, shimmy fenomenini incelemek üzere LaGeSh adlı özel bir uygulama geliştirilmiştir. LaGeSh, lastik özellikleri, kayma açısı, caster uzunluğu, tekerlek kuvveti, atalet momentleri ve uçak hızı gibi parametrelerin kolayca ayarlanmasına olanak tanır. Bu parametreler üzerinde yapılan değişiklikler, uçağın shimmy titreşimlerine karşı duyarlılığını değerlendirmeyi sağlar ve kontrolcü parametrelerinin optimize edilmesine yardımcı olur. Ayrıca, LaGeSh, çeşitli parametreler arasındaki ilişkileri görselleştirmek için karşılaştırmalı grafikler oluşturabilir. Bu grafikler, caster uzunluğu ve uçak hızı veya tekerlek kuvveti ve uçak hızı gibi ilişkileri daha iyi anlamak için kritik bir araç sunar. LaGeSh'in sunduğu bu görsel ve analitik araçlar, shimmy fenomeninin daha derinlemesine incelenmesi ve bu fenomeni kontrol altına almak için etkili çözümler geliştirilmesi açısından büyük bir değer taşır. Sonuç olarak, shimmy fenomeni, iniş takımı tasarımında dikkate alınması gereken karmaşık ve tehlikeli bir olgudur. Uçakların güvenli bir şekilde iniş yapması ve yerde manevra yapması için shimmy fenomeninin etkilerinin minimize edilmesi büyük bir önem taşır. Bu amaçla geliştirilen matematiksel modeller, simülasyonlar ve kontrol stratejileri, shimmy fenomeninin anlaşılmasına ve etkili bir şekilde kontrol altına alınmasına katkı sağlar. LaGeSh gibi özel uygulamalar ise bu süreçleri daha kullanıcı dostu ve erişilebilir hale getirir. Bu sayede, mühendisler, uçakların iniş takımlarını daha güvenli ve verimli bir şekilde tasarlayabilir, uçak operasyonlarının güvenliğini artırabilir.

Özet (Çeviri)

In aviation, the landing gear is a critical component that ensures the aircraft's stability and safety during ground operations. There are two fundamental types of landing gear configurations: Tail-Wheel and Tricycle. The Tail-Wheel setup consists of two main landing gears at the front and a single tail gear at the rear. Conversely, the Tricycle arrangement features a single nose landing gear complemented by two main landing gears at the rear. One of the significant challenges in landing gear design is the phenomenon known as shimmy. Shimmy refers to an oscillatory motion that combines lateral and yaw movements of the landing gear. This motion results from the complex interaction between the tire dynamics and the structural characteristics of the landing gear. Both nose and main landing gears can exhibit shimmy oscillations; however, the nose gear in Tricycle configurations and the tail gear in Tail-Wheel setups are particularly susceptible. The prevalence of shimmy oscillations has led to extensive research, with most studies concentrating on the nose or tail landing gears. Shimmy is characterized by self excited oscillations propelled by the aircraft's forward movement. The oscillation amplitude can range from minor disturbances affecting comfort and visibility to intense vibrations that may cause structural damage or even catastrophic failure. To mitigate these risks, a comprehensive modelling and analysis of the landing gear's dynamic behavior and structural integrity are imperative. This approach enables the evaluation of the landing gear design and facilitates the implementation of necessary modifications at an early development stage. For analytical purposes, a mathematical model of the landing gear is derived using the Lagrange equation. This model includes a third-order, 1-degree-of-freedom system representing the yaw motion, and a more complex fifth-order, 2-degree-of-freedom system accounting for both yaw and lateral movements. Subsequently, the Routh Hurwitz criteria and the coefficients of the characteristic equation are employed to conduct a linear stability analysis. Following the derivation of the mathematical equations, various simulations are executed using MATLAB and Simulink. Once the mathematical models and simulation frameworks are established and validated, control strategies such as Linear Quadratic Regulator (LQR) controller design is applied to both models. To streamline the analysis process, a specialized application named LaGeSh has been developed. This application allows for the adjustment of multiple parameters, including tire characteristics, slip angle, caster length, force, moments of inertia, and aircraft speed. These modifications enable a practical assessment of the aircraft's susceptibility to shimmy vibrations and facilitate the extraction of controller parameters based on the input values. Moreover, LaGeSh can generate comparative graphs, such as caster length versus aircraft speed and force versus aircraft speed, to identify the most optimal parameter configurations. As a result this study not only elaborates on the technical aspects of landing gear dynamics but also provides a comprehensive overview of the analytical methods and tools used in the study of shimmy oscillations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    660783

    Burun iniş takımı sisteminde shimmy davranışının modellenmesi, analizi, testi ve kontrolü

    Modelling, analysis, test, and control of the shimmy behavior in nose landing gear system

    SENA KOÇAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ

  2. Tez No

    323740

    Dynamics of a landing gear mechanism

    Bir iniş takımı mekanizmasının dinamiği

    ELMAS ATABAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL

  3. Tez No

    439838

    Modelling and control of a 3-rrs parallel manipulator

    3-rrs paralel manipülatörün modellenmesi ve denetimi

    HALİL TETİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. GÖKHAN KİPER

  4. Tez No

    488215

    Modelling and control of autonomous underwater vehicles (AUVs)

    Su altı aracının modellenmesi ve kontrolü

    ALPER YALMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYDIN YEŞİLDİREK

  5. Tez No

    75929

    Modelling and control of beam type structures with surface bonded piezoelectric sensors and actuators

    Yüzeye yapıştırılmış piezoelektrik algılayıcı ve eyleticili kiriş türü yapıların modellenmesi ve denetimi

    BARIŞ YAĞCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Uçak MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OZAN TEKİNALP

Geri Dön