The stiffness and natural frequencies for blades, flexbeam, and torque tube of bearingless rotor system are measured to determine the material input properties such as mass distributions and stiffness distribution for the rotor dynamics and load analysis. The flap stiffness, lag stiffness, and torsional stiffness are calculated by measuring section strain or twist angle, gages position, and applied loads through bending and twist tests. The modal tests are undertaken to find out the natural frequencies for flap, lag, torsion modes in non-rotating conditions. The stiffness values and mass properties are tuned and updated to match prediction frequencies to the measured frequencies. The rotorcraft comprehensive code(CAMRAD II) is used to analyze the natural frequencies of the specimens. The analysis results with the updated material properties agree well with the measured frequencies. The updated properties will be used to analyze the rotor stability, dynamic characteristics and loads for the rotor rotation test in a whirl tower.
Acoustic noise and vibration of a BLDC motor is a coupled phenomenon between mechanical characteristics and electromagnetic origins through the motor air-gap. When a relative misalignment of rotor in the air-gap center exists on the assemblage, it is considered to influence the motor system characteristics. In this paper, the back electro motive force(BEMF) is analyzed by Finite Element Method(FEM) and verified by experiments for the SPM and IPM type motors. For magnetic field analysis, a FEM is used to account for the magnetic saturation. Using these results, the FEM is made to determine the appropriate electromagnetic field analysis in BLDC motors with rotor eccentricity ratio. A radial magnetic imbalance force of BLDC motor with rotor eccentricity is analyzed. Results demonstrate that the imbalance force is increased according to the degree of misalignment. An IPM motor, mostly chosen to realize high-speed operation, shows a worse effect on magnetic unbalanced forces and dynamic responses compared with SPM motor due to magnetic saturation when the rotor eccentricity exists.
The three-dimensional finite element modeling of a composite rotor blade is very hard and requires much computation effort. The efficient method to model a composite beam is necessary for the dynamic and aeroelastic analyses of rotor blades. In this study, the beam modeling method of a composite rotor blade is studied using VABS. The computer program, VABS (Variational Asymptotic Beam Section Analysis), uses the variational asymptotic method to split a 3-D nonlinear elasticity problem into 2-D cross-sectional analysis and 1-D nonlinear beam problem. The VABS can produce the sectional stiffness coefficients of composite rotor blades with various cross section and initial twist/curvatures, and recover the original 3-D distribution of displacement/strain/stress fields. The results of various cross section beams show that VABS gives us the accurate results comparared to commercial codes and does not need much computation effort. It can be concluded that VABS provides the efficient method to establish the FE model of a composite rotor blade.
Nonlinear dynamic characteristics of rubbing phenomenon in rotor dynamics are investigated experimentally and numerically. Rubbing phenomenon occurs when rotor contacts with stator during whirling and causes the large amplitude of vibration, high whirl frequencies, and possibly catastrophic failure. Rubbing has various types of forward whirl, backward rolling, backward slipping, and partial rub depending on the system parameters of rotating machinery and running speed. Experiments are performed for forward whirl and backward whirl. And numerical analysis are conducted to explain the changes between backward rolling and backward slipping. Experimental and numerical results show that the types of whirling motion depends on the friction coefficient between rotor and stator and the eccentricity of rotor.
The tilt rotor aircraft has the flight characteristics which takes off vertically like a helicopter and flies forward like an airplane. Especially, the transition process from a helicopter to an airplane mode requires not only the mixing of control inputs but also the stability and controllability augmentation system(SCAS) in order to keep the safe flight because there are compound flight dynamic characteristics of a helicopter and an airplane including non-linearity, uncertainty. This paper describes the design of SCAS in a lateral motion for the tilt rotor aircraft based on the $H_{\infty}$ control method, which was performed from mathematical model with weighting matrix based on the relationship between the $H_{\infty}$ norm and the sensitivity function. Through simulation analysis for the controller designed on the $H_{\infty}$ control theory, it was shown that this method may be applied to the control design of the tilt rotor aircraft.
Recently, the composite materials are widely used for manufacturing the helicopter rotor blades. furthermore, composites show great potential on the design of rotor blades due to the advantages of strength, durability and weight of the materials. To keep with this advantages, it is necessary to calculate natural frequencies of a rotating blades for avoiding resonance. In this paper, the structural design process of airfoil cross section is introduced, and natural frequencies of composite rotor blades with variable rpm we investigated.
The goal of this study is the stability evaluation of a vacuum pump through modal test and rotor dynamics. Roots type vacuum pump, which is a dry vacuum pump, is necessary for the manufacturing process of the semiconductor and the display. Eigenvalue was solved by the finite-element method(FEM) using 2D and 3D models, then the modal test result was compared with the FEM result. According to the comparison, the analysis result using the 2D was more accurate than the 3D model. Therefore, rotor dynamics was performed by the 2D model. Campbell diagram and root-locus maps, which were calculated by complex-eigenvalue analysis, were used to evaluate the stability of the rotors of the vacuum pump. And displacement solved by unbalance response analysis was compared with the minimum clearance between two rotors of the vacuum pump. Thus, the vacuum pump is assumed operated under steady state through the evaluation of the rotor dynamics.
Squeeze film dampers (SFDs) have been commonly used to effectively enhance the dynamic behavior of the rotating shaft supported by rolling element bearings. However, due to the recent trends of high operating speed, high load capacity and light weight in rotating machinery, it is becoming increasingly important to change the dynamic characteristics of rotating machines in operation so that the excessive vibrations, which may occurparticularly when passing through critical speeds or unstable regions, can be avoided. Semi-active type SFDs using magneto-rheological fluid (MR fluid), which responds to an applied magnetic field with a change in rheological behavior, are introduced in order to find its applications to rotating machinery as an effective device attenuating unbalance responses. In this paper, a semi-active SFD using MR fluid is designed, tested, and identified to investigate the capability of changing its dynamic properties such as damping and stiffness.In order to apply the MR-SFD to the vibration attenuation of a rotor, a systematic approach for determining the damper's optimal location is investigated, and also, a control algorithm that could improve the unbalance response characteristics of a flexible rotor is proposed and its control performance is validated with a numerical example.
The paper presents the dynamic characteristics of a rotor-bearing system supported by an actively controlled hydrodynamic journal bearing. The proportional. derivative and integral controls are adopted for the control algorithm to control the hydrodynamic journal bearing with an axial groove. Also, the cavitation algorithm implementing the Jakobsson-Floberg-Olsson boundary condition is adopted to predict cavitation regions in the fluid film more accurately than conventional analysis, which uses the Reynolds condition. The speed at onset of instability of a rotor-bearing system is increased by both proportional and derivative control of the bearing. The proportional control increases the stability threshold without affecting the whirl ratio. However, for the derivative control of the bearing, increase of stability threshold speed is accompanied by a parallel reduction of the whirl ratio. The integral control has no effect on stability characteristics of hydrodynamic journal bearing. The PD-control is more effective than proportional or derivative control. Results 7how the active control of bearing can be adopted for the stability improvement of a rotor-bearing system.
Gearboxes are often used in the petrochemical and electrical power plants to transmit mechanical power between two branches of a machinery train rotating at different speeds. When the gearboxes are connected with rotors supported by journal bearings, bearing loads vary in magnitude and direction with rotor speed and torque transmitted by the gearboxes. In this study, dynamic characteristics of the system which consists of gearboxes and a rotor supported by journal bearings are investigated analytically and experimentally by employing the polynomial transfer matrix method and modal analysis under different speeds and torque levels. Journal bearing loads due to the transmitted torque are claculated analytically and the stiffness and damping coefficient of the journal bearings are obtained using finite element method. Comparison of the analytical and experimental results shows that the cross coupled stiffness coefficients increase with increasing rotor speed, while the cross coupled damping coefficients decrease. This generates the oil whirl instability in the journal bearings. As the transmitted torque level goes up, the stiffness coefficients of the journal bearing and the first horizontal natural frequency increase. High levels of the transmitted torque produce high bearing stiffness since the contact loads of the mating gear teeth increase. The logarithmic decrement, which is a stability indicator, is shown to decrease with increasing speed and decreasing torque. Thus, at the low torque level, the system become unstable even at the low shaft speed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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