بررسی تأثیر دینامیک آشوبناک بالشتک صندلی پلییورتان بر سطح راحتی خلبانان بالگرد بل 214
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1072-ISAV2025 (R2)
نویسندگان
1گروه هوافضا، دانشکده هوافضا، دانشگاه هوایی شهید ستاری، تهران، ایران
2دانشکده هوافضا، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران، ایران
3دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران، ایران
4دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران
چکیده
این پژوهش به بررسی دینامیک آشوبی بالشتکهای غیرخطی صندلی و تأثیر آنها بر راحتی سواری خلبان در حین عملیات پروازی بالگرد میپردازد. راحتی خلبان یکی از جنبههای حیاتی در تحقیقات مربوط به ارتعاشات بالگرد است؛ ازاینرو، بررسی سیستم تعلیق صندلی و خود بالشتک بهعنوان دو عامل اصلی مؤثر بر راحتی سرنشین ضروری است. در میان این عوامل، بالشتک صندلی از اهمیت ویژهای برخوردار است، زیرا هم از نظر اقتصادی مقرونبهصرفه بوده و هم نقش قابلتوجهی در کاهش ارتعاشات با فرکانس پایین دارد که تأثیر مستقیم بر احساس راحتی دارد.
مدلهای خطی متداول برای بالشتکهای پلییورتان جاذب انرژی، قادر به توصیف دقیق رفتار دینامیکی واقعی آنها نیستند. تعیین نادرست مشخصات سختی و میرایی میتواند منجر به جداسازی ناکافی ارتعاش و در بلندمدت سبب بروز مشکلات سلامتی برای خلبان شود. نوآوری اصلی این پژوهش در ارزیابی نظاممند اثر پارامترهای سختی غیرخطی بر بروز رفتار آشوبی و بررسی تأثیر آن بر عملکرد جداسازی ارتعاش نهفته است.
در این راستا، بالشتک صندلی بهصورت یک سیستم جرم–فنر–میرایی مدلسازی شده است که در آن ضریب سختی غیرخطی بهصورت تجربی تعیین گردیده است. از آنجا که مدل بالشتک غیرخطی است، رفتار دینامیکی آن نیز غیرخطی خواهد بود؛ بنابراین، این پژوهش به بررسی ارتباط میان چنین رفتارهای غیرخطی و راحتی سواری میپردازد. مدل بالشتک در یک سیستم بیودینامیکی با چهار درجه آزادی در نظر گرفته شده و سپس برای افزایش دقت مدل به یک مدل پنج درجه آزادی گسترش یافته است.
رفتار دینامیکی غیرخطی با استفاده از نمودارهای دوشاخهگی و نمای لیاپانوف تحلیل شده و سپس با ابزارهای دیگر مانند پاسخ زمانی، مسیرهای صفحه فاز، نگاشتهای پوآنکاره و طیف فوریه تأیید گردیده است. در ادامه، در نواحی تناوبی، چندتناوبی و آشوبی، پارامترهای مربوط به راحتی سرنشین از جمله انتقالپذیری ، امپدانس مکانیکی و جرم ظاهری مورد بررسی قرار گرفته و محدودههای بهینه راحتی سواری تعیین شدهاند.
نتایج نشان دادند که ویژگیهای سختی بالشتک، هنگامی که سبب بروز رفتارهای دینامیکی در محدوده آشوبی میشوند، بهطور قابلتوجهی انتقالپذیری از صندلی به سر را افزایش داده و امپدانس مکانیکی را زیاد میکنند؛ بدین معنا که بالشتک دیگر نقش جذبکننده ارتعاش را ایفا نکرده بلکه نیروهای نامنظم را تشدید میکند. این یافتهها بر اهمیت انتخاب دقیق ویژگیهای غیرخطی مواد در محدوده تناوبی برای حفظ پایداری دینامیکی، تضمین عملکرد مناسب در جداسازی ارتعاش و حفظ ایمنی و راحتی خلبان در طول مأموریتهای بالگرد تأکید دارند.
مدلهای خطی متداول برای بالشتکهای پلییورتان جاذب انرژی، قادر به توصیف دقیق رفتار دینامیکی واقعی آنها نیستند. تعیین نادرست مشخصات سختی و میرایی میتواند منجر به جداسازی ناکافی ارتعاش و در بلندمدت سبب بروز مشکلات سلامتی برای خلبان شود. نوآوری اصلی این پژوهش در ارزیابی نظاممند اثر پارامترهای سختی غیرخطی بر بروز رفتار آشوبی و بررسی تأثیر آن بر عملکرد جداسازی ارتعاش نهفته است.
در این راستا، بالشتک صندلی بهصورت یک سیستم جرم–فنر–میرایی مدلسازی شده است که در آن ضریب سختی غیرخطی بهصورت تجربی تعیین گردیده است. از آنجا که مدل بالشتک غیرخطی است، رفتار دینامیکی آن نیز غیرخطی خواهد بود؛ بنابراین، این پژوهش به بررسی ارتباط میان چنین رفتارهای غیرخطی و راحتی سواری میپردازد. مدل بالشتک در یک سیستم بیودینامیکی با چهار درجه آزادی در نظر گرفته شده و سپس برای افزایش دقت مدل به یک مدل پنج درجه آزادی گسترش یافته است.
رفتار دینامیکی غیرخطی با استفاده از نمودارهای دوشاخهگی و نمای لیاپانوف تحلیل شده و سپس با ابزارهای دیگر مانند پاسخ زمانی، مسیرهای صفحه فاز، نگاشتهای پوآنکاره و طیف فوریه تأیید گردیده است. در ادامه، در نواحی تناوبی، چندتناوبی و آشوبی، پارامترهای مربوط به راحتی سرنشین از جمله انتقالپذیری ، امپدانس مکانیکی و جرم ظاهری مورد بررسی قرار گرفته و محدودههای بهینه راحتی سواری تعیین شدهاند.
نتایج نشان دادند که ویژگیهای سختی بالشتک، هنگامی که سبب بروز رفتارهای دینامیکی در محدوده آشوبی میشوند، بهطور قابلتوجهی انتقالپذیری از صندلی به سر را افزایش داده و امپدانس مکانیکی را زیاد میکنند؛ بدین معنا که بالشتک دیگر نقش جذبکننده ارتعاش را ایفا نکرده بلکه نیروهای نامنظم را تشدید میکند. این یافتهها بر اهمیت انتخاب دقیق ویژگیهای غیرخطی مواد در محدوده تناوبی برای حفظ پایداری دینامیکی، تضمین عملکرد مناسب در جداسازی ارتعاش و حفظ ایمنی و راحتی خلبان در طول مأموریتهای بالگرد تأکید دارند.
کلیدواژه ها
Title
Investigation of the Effect of Chaotic Dynamics in Polyurethane Seat Cushion on Ride Comfort of Bell 214 Helicopter Pilots
Authors
seyed mohammad Kamali, Ali nouri, Heshmat allah mohammad Khanlo, hadi sabouri
Abstract
This study investigates the chaotic dynamics of nonlinear seat cushions and their influence on pilot ride comfort during helicopter operations. Pilot comfort represents a critical aspect of rotorcraft vibration research; hence, it is necessary to investigate both the seat suspension and the cushion system as the principal contributors to passenger comfort. Among these, the seat cushion holds particular importance due to its cost efficiency and significant influence on low-frequency vibration attenuation, which strongly affects perceived comfort. Conventional linear models of polyurethane energy-absorbing cushions not sufficient to accurately capture their real dynamic behavior. Improper specification of stiffness and damping characteristics can lead to inadequate vibration isolation and, in the long term, potential health risks for pilots. The main innovation of this research lies in systematically evaluating the effect of nonlinear stiffness parameters on the onset of chaotic behavior and assessing their effects on vibration isolation performance. Therefore, the seat cushion is modeled as a mass–spring–damper system, where the nonlinear stiffness coefficient is determined experimentally. Because the cushion model is nonlinear therefore, they have nonlinear dynamic behavior, and this study investigates the relationship between such nonlinear behaviors and ride comfort. The cushion model is included into a 4-DOF biodynamic system and subsequently extended to a 5-DOF model for improved fidelity. The nonlinear dynamic behavior is analyzed through bifurcation diagrams and maximum Lyapunov exponent, and then it is confirmed by other tools such as, time response, phase-plane trajectories, Poincare maps, and FFT spectra. Next, in the periodic, multi-periodic and chaotic ranges, the passenger comfort parameters, including transmissibility and mechanical impedance and apparent mass, have been investigated, and the optimal ride comfort ranges have been identified. The results showed that the stiffness propertie of the cushion, which cause the dynamic behaviors to be in the chaotic range, significantly increase the seat-to-head transmissibility and increase the mechanical impedance, indicating that the cushion no longer absorbs vibrations but instead amplifies irregular forces. These findings emphasize the importance of carefully select the nonlinear properties of materials in the periodic range to maintain dynamic stability, ensure effective vibration isolation and maintain pilot safety and operational comfort during helicopter missions.
Keywords
Ride comfort, Nonlinear, Helicopter, Chaotic behavior, Polyurethane cushion