Beräkningsuppgift I. Rörelseekvationer och kinematiska ekvationer



Relevanta dokument
Inlämningsuppgift 4 NUM131

AB2.1: Grundläggande begrepp av vektoranalys

a), c), e) och g) är olikheter. Av dem har c) och g) sanningsvärdet 1.

9-1 Koordinatsystem och funktioner. Namn:

Aerodynamik - Prestanda

Laboration i Maskinelement

6.2 Partikelns kinetik - Tillämpningar Ledningar

Tillåtna hjälpmedel: Physics Handbook, Beta, kalkylator i fickformat, samt en egenhändigt skriven A4-sida med valfritt innehåll.

LABORATIONSHÄFTE NUMERISKA METODER GRUNDKURS 1, 2D1210 LÄSÅRET 03/04. Laboration 3 3. Torsionssvängningar i en drivaxel

Partiklars rörelser i elektromagnetiska fält

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 27 maj, 2013

Komihåg 5: ( ) + " # " # r BA Accelerationsanalys i planet: a A. = a B. + " # r BA

varandra. Vi börjar med att behandla en linjes ekvation med hjälp av figur 7 och dess bildtext.

6.5 Effektbehov för oaccelererad planflykt

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

NATIONELLT PROV I MATEMATIK KURS E HÖSTEN 1996

Matematik E (MA1205)

En trafikmodell. Leif Arkeryd. Göteborgs Universitet. 0 x 1 x 2 x 3 x 4. Fig.1

Mekanik III, 1FA103. 1juni2015. Lisa Freyhult

SMFF:s certifikatprov för motormodeller Flygprovet augusti 2004

Newtons 3:e lag: De par av krafter som uppstår tillsammans är av samma typ, men verkar på olika föremål.

Föreläsning 5: Acceleration och tidsderivering (kap ) . Sambandet mellan olika punkters hastigheter i en stel kropp: v A

Prestandaberäkning för modeller

Lennart Carleson. KTH och Uppsala universitet

Dataprojekt. Nanovetenskapliga tankeverktyg. January 18, 2008

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

Kurvlängd och geometri på en sfärisk yta

Två gränsfall en fallstudie

Vektorer. 1. Vektorer - definition och räkneoperationer F H

Betygskriterier Matematik E MA p. Respektive programmål gäller över kurskriterierna

Överföringsfunktioner, blockscheman och analys av reglersystem

2. För vilka värden på parametrarna α och β har det linjära systemet. som satisfierar differensekvationen

Elektromagnetiska fält och Maxwells ekavtioner. Mats Persson

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

Basbyte (variabelbyte)

Dekomponering av löneskillnader

1 Cirkulation och vorticitet

ALTERNATIVA KOORDINATSYSTEM -Cylindriska koordinatsystem. De polära koordinaterna r och " kan beskriva rörelsen i ett xyplan,

Enda tillåtna hjälpmedel är papper, penna, linjal och suddgummi. Skrivtid 4 h. OBS: uppgifterna skall inlämnas på separata papper.

=v sp. - accelerationssamband, Coriolis teorem. Kraftekvationen För en partikel i A som har accelerationen a abs

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

NATIONELLT KURSPROV I MATEMATIK KURS C HÖSTEN 2009

Övningar för finalister i Wallenbergs fysikpris

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

Reglerteknik M3. Inlämningsuppgift 3. Lp II, Namn:... Personnr:... Namn:... Personnr:...

Föreläsning 10: Stela kroppens plana dynamik (kap 3.13, 4.1-8) Komihåg 9: e y e z. e z )

Flyglära. Vi börjar med den grundläggande delen

BASFYSIK BFN 120. Laborationsuppgifter med läge, hastighet och acceleration. Epost. Namn. Lärares kommentar

OBSERVERA ATT DETTA EXEMPELMATERIAL INTE MOTSVARAR ETT HELT KURSPROV I OMFATTNING OCH INNEHÅLL.

En ideal op-förstärkare har oändlig inimedans, noll utimpedans och oändlig förstärkning.

Matematik och modeller Övningsuppgifter

Mekanik Föreläsning 8

Frågorna 1 till 6 ska svaras med sant eller falskt och ger vardera 1

" e n och Newtons 2:a lag

Grafer. 1 Grafer. Grunder i matematik och logik (2015) 1.1 Oriktade grafer. Marco Kuhlmann

1 Navier-Stokes ekvationer

Två typer av stabilitet: statisk och dynamisk

4:7 Dioden och likriktning.

Självkoll: Ser du att de två uttrycken är ekvivalenta?

Reglerteknik M3, 5p. Tentamen

Facit till Några extra uppgifter inför tentan Matematik Baskurs. x 2 x

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

Laboration i Fourieroptik

Omtentamen i DV & TDV

" e n Föreläsning 3: Typiska partikelrörelser och accelerationsriktningar

9-2 Grafer och kurvor Namn:.

Marknaden. Nu när tusentals gamla sportflygplan skall bytas ut finns det möjligheter att ta stora marknadsandelar.

Introduktion. Exempel Övningar Lösningar 1 Lösningar 2 Översikt

Diffraktion och interferens

Jordens Magnetiska Fält

Tentamen Mekanik MI, TMMI39, Ten 1

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

8-4 Ekvationer. Namn:..

Exempel. Vi skall bestämma koordinaterna för de punkter som finns i bild 3. OBS! Varje ruta motsvarar 1mm

MA2003 Tillämpad Matematik I, 7.5hp,

Enklare uppgifter, avsedda för skolstadiet.

Roterande elmaskiner

NEWTONS 3 LAGAR för partiklar

Matematisk analys för ingenjörer Matlabövning 3 Numerisk lösning av differentialekvationer

Polarisation laboration Vågor och optik

Matematik för sjöingenjörsprogrammet

MATEMATIK 5 veckotimmar

Dimensioner och fraktal geometri. Johan Wild

3.1 Linjens ekvation med riktningskoefficient. y = kx + l.

LAB 4. ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER. 1 Inledning. 2 Eulers metod och Runge-Kuttas metod

Repetitionsuppgifter i Matematik inför Basår. Matematiska institutionen Linköpings universitet 2014

( ) i xy-planet. Vi skapar ( ) med alla x koordinater och en ( ) med alla y koordinater. Sedan plottar vi punkterna med kommandot. , x 2, x 3.

Föreläsning 1. Vad är en elektrisk spänning? Ta en bit neutral materia

ODE av andra ordningen, och system av ODE

Dagens tema. Fasplan(-rum), fasporträtt, stabilitet (forts.) (ZC sid 340-1, ZC10.2) Om högre ordnings system (Tillägg)

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. 1. En svängningsrörelse beskrivs av

Svar och anvisningar

UPPGIFTER KAPITEL 2 ÄNDRINGSKVOT OCH DERIVATA KAPITEL 3 DERIVERINGSREGLER

Andra EP-laborationen

2012:2 Folkmängd och befolkningsförändringar i Eskilstuna år 2011.

Föreläsningsanteckningar i linjär algebra

TRÄNINGSINSTRUKTIONER

ARCUS i praktiken. Praktikfall: Mätningar på trefasmotorer på bänk.

Om ellipsen och hyperbelns optiska egenskaper

Sätt t = (x 1) 2 + y 2 + 2(x 1). Då är f(x, y) = log(t + 1) = t 1 2 t t3 + O(t 4 ) 1 2 (x 1) 2 + y 2 + 2(x 1) ) 2 (x 1) 2 + y 2 + 2(x 1) ) 3

Transkript:

1 Beräkningsuppgift I Vi skall studera ett flygplan som rör sig i xz planet, dvs vi har med de frihetsgrader som brukar kallas de longitudinella. Vi har ett koordinatsystem Oxyz fast i flygplanet och ett koordinatsystem Ox f y f z f som är fast på jorden och antas vara ett inertialsystem. g x v z Rörelseekvationer och kinematiska ekvationer De longitudinella rörelseekvationerna för ett flygplan, tillsammans med kinematiska relationer för att bestämma orientering och läge, kan skrivas u. qw g sin X m g cos Z m M I yy ẇ qu q.. q ẋ f u cos ż ( f u sin w sin w cos )( 1) (1) där X, Z och M är krafter och moment på flygplanet bortsett från gravitationskraften, dvs aerodynamiska krafter och moment samt krafter och moment från motorn. Fak-

2 torn ( 1) i sista ekvationen är till för att vända det jordfasta systemet så att z f axeln pekar uppåt. De båda nedre ekvationerna ger relationer mellan flygplanets hastighet i komponenter i det rörliga respektive fasta koordinatsystemet. Hastigheten är alltid tidsderivatan relativt en fast referens av lägesvektorn relativt en fix punkt, men denna vektor kan sedan uttryckas antingen i fasta eller rörliga koordinater. De båda övre ekvationerna är rörelseekvationerna i xz planet uttryckt i det flygplansfasta koordinatsystemet, vilket roterar relativt det jordfasta kordinatsystemet. u och w är alltså hastighetsvektorns komponenter i ett roterande koordinatsystem och u. och ẇ är därmed komponenter av hastighetsvektorns tidsderivata relativt en roterande referens. Flygplanets acceleration är däremot hastighetsvektorns tidsderivata relativt en fast referens; dess komponenter i det roterande systemet blir u. qw och ẇ qu. Vi skall lösa dessa sex ekvationer numeriskt, till en början med initialvillkoren u i V w i 0 q i 0 i 0 x f i 0 z f i H (2) där V och H är hastigheten respektive höjden för flygtillståndet för dina aerodynamiska data. Om referenstillståndet avser flygning vid havsytan sätts H=100 m, för att undvika underjordisk flygning. Uppgift 1 Implementera ekvationerna (1) ovan i MATLAB med X=Z=M=0. Genomför en beräkning under 100 s med initialvillkoren (2) ovan och plotta z f som funktion av x f, I avsaknad av aerodynamiska krafter och motorkrafter skall rörelsen givetvis bli en kastparabel. Verifiera slutpunkten i den numeriska beräkningen av kastparabeln med en analytisk beräkning. Referenstillstånd Vi kommer att använda en kraftmodell där de aerodynamiska krafterna är linjäriserade kring ett referenstillstånd. Vi antar att detta referenstillstånd är flygning med konstant hastighet längs en rät linje parallell med jordytan och med alla vinkelhastigheter noll. Vi har alltså trimmad flygning med krafter och moment i jämvikt i referenstillståndet. Vi väljer också att lägga x axeln i hastighetens riktning i referenstillståndet så att tippvinkeln är noll i referenstillståndet. Låt index 0 beteckna referenstillståndet och sätt:

3 u 0 V w 0 0 q 0 0 0 0 x f 0 0 z f 0 H (3) Flygtillståndet i databladet antas alltså vara det trimmade referenstillståndet enligt ovan. Genom att sätta in (3) i de tre första av ekvationerna (1) kan vi räkna ut X, Z och M, dvs krafterna utom gravitation, i referenstillståndet: X m g sin 0 0 Z m g cos 0 g M I yy 0 (4) där även antagandet att vi flyget parallellt med jordytan i referenstillståndet förts in som 0=0. Uppgift 2 Implementera krafterna (4) och genomför en beräkning med initialvillkoren (2). Eftersom dessa initialvillkor innebär att vi släpper iväg beräkningen i det trimmade referenstillståndet bör resultatet bli en rät linje parallell med jordytan. Verifiera detta. Kraftmodell Vi antar, med en kraftig förenkling, att luftkrafterna på flygplanet kan skrivas som X m g sin 0 X u (u u 0 ) X w (w w 0 ) Z m g cos 0 Z u (u u 0 ) Z w (w w 0 ) M I yy M w (w w 0 ) M q (q q 0 ) (5) Detta är en linjär modell, som vi hoppas gäller någorlunda i närheten av referenstillståndet enligt ekvationerna (3). Notera att (5) inte innehåller några termer för ändring i motorpådrag eller roderutslag som alltså antas vara konstanta. Notera även att (5:3) normalt innehåller en term M ẇ (ẇ ẇ 0 ) som har försummats här för att inte krångla till implementeringen.

4 Observera skillnaden mellan initialtillstånd och referenstillstånd. Initialtillståndet är det tillstånd vi släpper flygplanet ifrån när vi börjar beräkningen; referenstillståndet är det tillstånd omkring vilket vi valt att linjärisera vår luftkraftsmodell. Om vi hade haft en bättre kraftmodell hade vi inte infört något referenstillstånd. Vi skall nu studera flygplanets rörelse för initialvillkoren u i V w i 0 q i 0 i 0.1 rad x f i 0 z f i H (6) Vi befinner oss alltså i trimmat flygläge (före tiden t=0) med låsta roder då vi plötsligt (vid tiden t=0) får en störning i tippvinkel. Uppgift 3 Implementera kraftmodellen (5). Genomför en beräkning med initialvillkoren (6) under 100 s, och plotta de sex fasvariablernas variation med tiden samt kurvor över z f (x f ) och anfallsvinkeln som funktion av tiden. Om kurvorna ser misstänkt darriga ut så ange bättre precision i MATLAB funktionen ode45. För vissa datauppsättningar kan det vara nödvändigt att använda en längre simuleringstid, 200 400 s. Rörelsen som beräknats skall bestå av en svängning med period av storleksordningen tiotals sekunder, som kallas phugoid moden. Denna rörelse är vanligtvis svagt dämpad, men kan även vara svagt växande. Tag fram periodtiden för rörelsen genom att mäta i någon av plottarna. Jämför med den grova approximationen phugoid 2 u 0 g I phugoidrörelsen gäller vanligtvis att u når sitt maximum ca 90 grader före. Mät ut i plottarna vad som gäller för aktuell simulering. Försök slutligen lista ut hur flygplanets rörelse genom luften ser ut, och beskriv denna med ord. Rita in hur flygplanets nos pekar för några lägen i kurvan z f (x f ). Ledning: jämför anfallsvinkelns storlek med tippvinkelns. Statisk stabilitet Begreppet statisk stabilitet innebär att luftkrafterna skall ge ett återförande moment vid en störning i anfallsvinkeln. Detta ger en grov uppfattning om flygplanets stabilitet. Tippmomentet som funktion av anfallsvinkeln skall alltså ha ett principiellt utseende som i figuren:

5 Momentkurva för statiskt stabilt flygplan. Villkoret för statisk stabilitet är: dm d! 0 Uppgift 4 Ändra M w så att flygplanet blir statiskt instabilt genom att sätta C m" # 0.1 i uttrycket i Appendix A. Genomför en beräkning med initialvillkoren (6) under 100 s, och plotta de sex fasvariablernas variation med tiden samt kurvor över z f (x f ) och anfallsvinkeln som funktion av tiden. Kommentera resultatet. Eventuellt måste du skruva upp värdet ytterligare, t.ex till C m" # 0.5 för att få den önskade effekten om du räknar på ett stort och tungt transportflygplan. Short period moden Den longitudinella rörelsen hos ett flygplan har två typiska rörelsemönster, phugoid moden och short period moden, där phugoid moden studerats i uppgift 3 ovan. Short period moden, som brukar kallas tippsvängning på svenska, har betydligt kortare periodtid än phugoid moden. Den är även kraftigt dämpad, vilket är något som eftersträvas vid flygplanskonstruktionen, eftersom ett flygplan med en tillväxande tippsvängning blir helt okontrollerbart. Den kraftiga dämpningen gör det dock svårt att se denna rörelse i plottarna i uppgift 1. Uppgift 5 Återställ den statiska stabiliteten som saboterades i uppgift 4. Sabotera i stället dämpningen av short period moden genom att sätta M q # Z w # 0 i kraftmodellen. Ändra sedan initialvillkoren (6) så att $ i # 0 och sätt i stället q i # 0.1 rad% s. Ge-

6 nomför en beräkning med dessa initialvillkor under en tidsperiod motsvarande en femtedel av phugoidsvängningens period, och plotta de sex fasvariablernas variation med tiden samt kurvor över z f (x f ) och anfallsvinkeln som funktion av tiden. Jämför anfallsvinkeln med tippvinkeln dels för denna beräkning och dels för phugoidsvängningen. Beskriv short period modens utseende.