Tiltrotors are prone to an high speed aeroleastic instability related to whirl flutter phenomena. Its study is particularly relevant in order to obtain satisfactory performances in horizontal flight. In this thesis an approach, based on Operational Modal Analysis(OMA) principles, was investigated in order to verify the whirl flutter characteristics of a tiltrotor multibody model. The model was tested in different configurations, in airplane and conversion mode, and in a fixed range of speeds employing two different algorithms, the Matrix Pencil Estimation and the Periodic-OMA. The first technique was used to extract the modal parameters from system's free responses to an external input introduced using rotor's collective and cyclic control. On the other side the second technique purely rely on a OMA approach, evaluating the stability properties of the model from its responses to atmospheric turbulence. Using strain and acceleration measurements, obtained from simulated numerical experiments, all wing modes were easily captured by both methods. However the second technique allowed to take in account system's periodicity, extracting not only main harmonics modal parameters but also the ones belonging to a finite number of the associated superhamonics. It was also explored the possibility, exploiting relative displacements data, to retrieve the modal shapes of the tiltrotor model. The method was successful in this quest allowing to visualize a selected number of periodic mode shapes for the modes of interest. This was particularly important to easily understand system's behaviour and provide insights in rotor-wing coupling mechanisms which are the main factors in whirl flutter instability. The results obtained from both methods appeared to be in good agreement further corroborating the possibility to use a purely OMA approach to extract the whirl flutter characteristics of a tiltrotor.

I convertiplani sono soliti soffrire di un problema di instabilità aeroelastica alle alte velocità legato al fenomeno di whirl flutter. Questo limita decisamente le loro performance in modalità aeroplano in termini di massima velocità di volo. La verifica e lo studio di questa instabilità risulta estremamente importante per poter ottenere un design finale con le volute prestazioni. In questa tesi è stato studiato un approccio basato sui principi dell'analisi modale operativa(OMA), applicandolo ad un modello multibody di un convertiplano. Le sue caratteristiche modali sono state individuate per diverse condizioni di volo, in modalità aeroplano e conversione, in uno spazio fissato di velocità utilizzando due diversi algoritmi, il Matrix Pencil Estimation e il Periodic-OMA. Il primo metodo ha permesso di estrarre i parametri modali del sistema a partire dalle sue risposte libere a seguito di un input introdotto tramite il controllo collettivo o ciclico del rotore, usando un approccio classico per test di flutter. Al contrario il secondo metodo sfrutta a pieno i principi dell'analisi modale operativa estraendo le caratteristiche di stabilità del sistema a partire dal suo comportamento in aria turbolenta. Utilizzando i valori di deformazione e accelerazioni, ottenuti da esperimenti numerici, entrambi i metodi sono stati in grado di individuare tutti i modi dell'ala. Il secondo metodo ha permesso inoltre di considerare la periodicità del sistema, estraendo non solo le proprietà relative alle armoniche principali ma anche quelle associate ad un numero fissato di superarmoniche. E' stata indagata inoltre la possibilità di estrarre le forme modali utilizzando le misure di spostamento di un set di punti del rotore e dell'ala. L'algoritmo è stato quindi in grado di identificare un numero finito di forme modali periodiche per i modi d'interesse. Questo ha permesso di visualizzare chiaramente il comportamento del sistema e permettere di cogliere più facilmente i meccanismi di accoppiamento ala-rotore che risultano essere di primaria importanza per il fenomeno di whirl flutter. I risultati ottenuti per entrambi i metodi sono stati confrontati risultando in buon accordo tra loro. Questo corrobora ulteriormente la possibilità di utizzare un metodo che sfutta la sola eccitazione proveniente dall'ambiente per identificare i parametri modali di un convertiplano.

Application of operational modal analysis algorithms to tiltrotor whirl flutter stability investigation

Mazzetti, Stefano
2020/2021

Abstract

Tiltrotors are prone to an high speed aeroleastic instability related to whirl flutter phenomena. Its study is particularly relevant in order to obtain satisfactory performances in horizontal flight. In this thesis an approach, based on Operational Modal Analysis(OMA) principles, was investigated in order to verify the whirl flutter characteristics of a tiltrotor multibody model. The model was tested in different configurations, in airplane and conversion mode, and in a fixed range of speeds employing two different algorithms, the Matrix Pencil Estimation and the Periodic-OMA. The first technique was used to extract the modal parameters from system's free responses to an external input introduced using rotor's collective and cyclic control. On the other side the second technique purely rely on a OMA approach, evaluating the stability properties of the model from its responses to atmospheric turbulence. Using strain and acceleration measurements, obtained from simulated numerical experiments, all wing modes were easily captured by both methods. However the second technique allowed to take in account system's periodicity, extracting not only main harmonics modal parameters but also the ones belonging to a finite number of the associated superhamonics. It was also explored the possibility, exploiting relative displacements data, to retrieve the modal shapes of the tiltrotor model. The method was successful in this quest allowing to visualize a selected number of periodic mode shapes for the modes of interest. This was particularly important to easily understand system's behaviour and provide insights in rotor-wing coupling mechanisms which are the main factors in whirl flutter instability. The results obtained from both methods appeared to be in good agreement further corroborating the possibility to use a purely OMA approach to extract the whirl flutter characteristics of a tiltrotor.
COCCO, ALESSANDRO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
23-lug-2021
2020/2021
I convertiplani sono soliti soffrire di un problema di instabilità aeroelastica alle alte velocità legato al fenomeno di whirl flutter. Questo limita decisamente le loro performance in modalità aeroplano in termini di massima velocità di volo. La verifica e lo studio di questa instabilità risulta estremamente importante per poter ottenere un design finale con le volute prestazioni. In questa tesi è stato studiato un approccio basato sui principi dell'analisi modale operativa(OMA), applicandolo ad un modello multibody di un convertiplano. Le sue caratteristiche modali sono state individuate per diverse condizioni di volo, in modalità aeroplano e conversione, in uno spazio fissato di velocità utilizzando due diversi algoritmi, il Matrix Pencil Estimation e il Periodic-OMA. Il primo metodo ha permesso di estrarre i parametri modali del sistema a partire dalle sue risposte libere a seguito di un input introdotto tramite il controllo collettivo o ciclico del rotore, usando un approccio classico per test di flutter. Al contrario il secondo metodo sfrutta a pieno i principi dell'analisi modale operativa estraendo le caratteristiche di stabilità del sistema a partire dal suo comportamento in aria turbolenta. Utilizzando i valori di deformazione e accelerazioni, ottenuti da esperimenti numerici, entrambi i metodi sono stati in grado di individuare tutti i modi dell'ala. Il secondo metodo ha permesso inoltre di considerare la periodicità del sistema, estraendo non solo le proprietà relative alle armoniche principali ma anche quelle associate ad un numero fissato di superarmoniche. E' stata indagata inoltre la possibilità di estrarre le forme modali utilizzando le misure di spostamento di un set di punti del rotore e dell'ala. L'algoritmo è stato quindi in grado di identificare un numero finito di forme modali periodiche per i modi d'interesse. Questo ha permesso di visualizzare chiaramente il comportamento del sistema e permettere di cogliere più facilmente i meccanismi di accoppiamento ala-rotore che risultano essere di primaria importanza per il fenomeno di whirl flutter. I risultati ottenuti per entrambi i metodi sono stati confrontati risultando in buon accordo tra loro. Questo corrobora ulteriormente la possibilità di utizzare un metodo che sfutta la sola eccitazione proveniente dall'ambiente per identificare i parametri modali di un convertiplano.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/177271