Analysis and design of a strut-mounted liquid vibration isolator for rotorcraft

The presented work aims at carrying out an analysis and preliminary design of a vibration reduction system for rotorcraft based on the anti-resonance principle. The system is located at the connection point between the fuselage and the main gearbox, and it operates by means of a liquid tuned mass. It deviates from the similar existing solutions for the use of an helical flow pipe, rather than a straight one, which is located around the main body of the absorber. This solution allows to install the main lift struts in a through-hole arrangement, achieving a reduced volume occupation and requiring minimal re-design of the attachment points, allowing an easier retro-fit of existing helicopters. The first part of the work is devoted to studying a simplified quarter-helicopter model, to which an idealized isolator is applied. This allows to analyze the basic equations of motion of the system and to develop its conceptual design. Such analysis is followed by the development of a more in-depth model of the absorber, which takes into account the losses caused by the fluid-dynamic friction in the pipe and the flexibility of the connection elements. This model is used to develop an optimization strategy, which allows to achieve a refined design that minimizes the performance losses caused by friction. Moreover, solutions are proposed to control resonance in the system and to actively tune it for optimal operation. Finally, the isolator is applied to an aeroservoelastic model of an existing helicopter, developed by the Department of Aerospace Science and Technology at Politecnico di Milano, and its effect on the vibration levels at different location on the structure is assessed.

Il presente lavoro di tesi si pone l'obbiettivo di analizzare e progettare in maniera preliminare un sistema di riduzione delle vibrazioni a bordo degli elicotteri basato sul principio dell'isolatore ad anti-risonanza, operante in parallelo alla connessione tra la fusoliera e la trasmissione principale. Tale sistema viene realizzato adoperando una massa liquida come inerzia accordata, e si distingue dalle soluzioni gi a esistenti di questo tipo per l'uso di una conduttura elicoidale, anzich e rettilinea, esterna all'assieme dell'assobitore. Questo design permette l'installazione delle travi di collegamento trasmissione-fusoliera in configurazione passante all'isolatore, allo scopo di ottenere un basso ingombro e di richiedere una limitata riprogrettazione degli attacchi delle travi stesse, favorendo l'adattamento del sistema ad elicotteri gi a esistenti. La prima parte del lavoro e dedicata allo studio di un modello semplificato della struttura dell'elicottero, avente lo scopo di analizzare il principio ideale di funzionamento del sistema e svilupparne il design concettuale. Segue quindi uno sviluppo del comportamento reale dell'assorbitore, al fine di sviluppare un modello matematico comprendente gli effetti della resistenza fluidodinamica generata dal flusso della massa liquida e della cedevolezza dei supporti. Tale analisi permette quindi di sviluppare un metodo di ottimizzazione della risposta dell'assorbitore isolato, avente lo scopo di minimizzare la perdita di performance causata dalle perdite nella conduttura. Vengono inoltre proposte delle soluzioni per il controllo della risonanza del sistema e per la sua accordatura attiva. Infine, il sistema viene applicato ad un modello aeroservoelastico di un elicottero esistente, sviluppato dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, e ne viene determinato l'effettivo impatto sul livello delle vibrazioni misurato in vari punti della struttura, determinando una procedura di accordatura atta alla massimizzazione della performance in accordo a delle specifiche richieste sul livello delle vibrazioni verticali e longitudinali.