¿Por qué este análisis muestra una tensión muy alta en una hélice?

He estado tratando de evaluar el estrés en la hélice de aluminio:

Diámetro: 78", 2600 RPM

He alimentado los números de carga desde aquí , aplicado el modelo de masa distribuida en las palas.

Static Thrust (2600 rpm):
MT 2-blade, 83" composite, 920 pounds
MT 3-blade, 80" composite, 900 pounds
McCauley 2-blade, 82" aluminium, 860 pounds
McCauley 3-blade, 78" aluminium, 825 pounds

Los resultados son bastante aterradores: 30 MPa de 55 máx ., para aluminio de clase 6061 (la deformación visual aumenta 20 veces para una mejor representación), lo que da como resultado una flexión vertical de +-1 cm.

¿Esto es normal?

¿Hay alguna información sobre la práctica de la industria para el margen de seguridad (los números muestran menos del 50%)? ¿O algún tipo de procedimiento de prueba aplicable a los fabricantes?

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Los esfuerzos cortantes son insignificantes - 150 Pa de 150 MPaingrese la descripción de la imagen aquí

La caja de dos hélices tiene un aspecto realmente aterrador. A continuación se muestra una masa distribuida (375 kg), el 80 % del máx. esfuerzo de fluenciaingrese la descripción de la imagen aquí

Y fuerza centrífuga - sobrecargada en un 200%:ingrese la descripción de la imagen aquí

Finalmente, un análisis combinado no lineal (incl. torque) - sobrecargado en un 250%: (observe que todo lo que no esté en azul se doblará y probablemente se agrietará, y solo las puntas de las cuchillas sobrevivirán a la tortura)

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Además de la carga de empuje, ¿tuviste en cuenta la fuerza centrífuga...?
No lo consideré, y sí, la intuición parece proponer que una hélice debe fortalecerse en el plano XY. Edité la publicación para incluirla. Ha empeorado aún más las cosas.
¿Está seguro de que está utilizando el perfil de hoja correcto en sus cálculos? GIGO
El caso estático puede que ni siquiera sea limitante. La vibración y la fatiga son probablemente más críticas y están cubiertas por 14 CFR §25.907. También hay cargas de aceleración.
Sé que esto suena tonto, pero tal vez algunos de los números en el cálculo están equivocados por una magnitud o la unidad es incorrecta.
Si está buscando comentarios útiles, sería útil que publique su conjunto completo de condiciones de contorno aplicadas y malla (incluidas capturas de pantalla). Hay indicios aquí para mí de que usted ha sujetado incorrectamente su modelo; y que posiblemente hayas copiado tu geometría de una turbina eólica en lugar de la hélice de un avión. Los dos funcionan de manera diferente y no pueden transponerse de una función a la otra. Además, sus escalas necesitan algo de trabajo. Estandarice las escalas a un rango fijo en lugar de lo que sea el máximo experimentado.
Arreglé sus unidades (la ciencia de materiales tiene un largo camino por recorrer antes de que se pueda lograr un límite elástico de 5.5GPa en aluminio). Sería recomendable familiarizarse con los valores comunes de tensiones y módulos en unidades SI. @kevin Supongo que eso hizo que tu comentario quedara obsoleto; La tensión de 30 MPa parece perfectamente realista para los casos de carga mencionados.
Buena atrapada. Mis más sinceras disculpas por este brutal error. Sin embargo, eso me hizo preguntarme si el aluminio de la serie 6 era la elección correcta. La serie 7 soportaría 103 MPa a costa de una extrusión complicada, que no se usaría de todos modos.

Respuestas (2)

Las tramas de sus hélices parecen usar un perfil aerodinámico regular hasta la raíz. Sin embargo, las hélices reales se vuelven casi cilíndricas allí. Además, las hélices de aluminio son huecas, por lo que la parte exterior es solo una capa delgada, lo que ahorra masa y reduce significativamente las cargas centrífugas.

Después de todo, las hélices de aluminio real funcionan, por lo que debe haber una forma de mantener la tensión en funcionamiento por debajo de la tensión de fluencia. FAR 23.907(c) incluso exige que una hélice que no sea de madera sea segura para la vida:

El solicitante debe realizar una evaluación de la hélice para demostrar que se evitará la falla por fatiga a lo largo de la vida operativa de la hélice utilizando los datos estructurales y de fatiga obtenidos de acuerdo con la parte 35 de este capítulo y los datos de vibración obtenidos del cumplimiento del párrafo (a) de esta sección.

A continuación se muestra un dibujo de una hélice de madera , pero la forma exterior de una hélice de metal no es muy diferente.

Dibujo de una hélice de madera para el Fokker D VII

Dibujo de una hélice de madera para el Fokker D VII ( fuente de la imagen )

La sección 35 (NORMAS DE AERONAVEGABILIDAD: HÉLICES) es exactamente lo que estaba buscando. Intentaré ejecutar pruebas similares en algunas hélices de la Segunda Guerra Mundial.
@FlegmatoidZoid: Genial, entonces háganos saber qué resultados obtiene.

Para el diseño de la hélice considere 1.5 veces las rpm. Esta suposición da el doble de fuerza centrífuga, empuje y arrastre actuando en la hélice.

Considere el límite de resistencia basado en los siguientes datos. Esto ayuda a evitar problemas de fatiga.

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Si pudiera indicar la fuente de sus datos, ¡eso aumentaría significativamente la credibilidad de su respuesta!
el valor exacto es 1,41. Aplique el valor en la ecuación para comprender los cambios.
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