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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
ENGENHARIA AERONÂUTICA E MECÂNICA (33011010008P0)
FLIGHT SIMULATION OF A FLEXIBLE AIRCRAFT USING NEURAL NETWORKS FOR REAL-TIME APPLICATIONS
BRENO SOARES DA COSTA VIEIRA
DISSERTAÇÃO
21/12/2021

Simulação de voo é uma parte essencial para o desenvolvimento e operação de qualquer aeronave, não apenas auxiliando análises de engenharia como também sendo fundamental para treinamento de pilotos. Desse modo, uma simulação deve, na prática, ser capaz de representar fenômenos físicos em tempos razoáveis. No entanto, à medida que modelos físicos e matemáticos se tornam mais complexos, esse equilíbrio entre exatidão e custo se torna desafiador. Tais modelos intrincados podem ser observados em aeronaves flexíveis, em que acoplamentos estruturais e aerodinâmicos fazem as simulações se tornarem computacionalmente muito custosas. Uma abordagem alternativa é discutida neste trabalho, substituindo os cálculos aerodinâmicos do método vortex-lattice por um banco de dados baseado em redes neurais – uma solução de aprendizado de máquina que estima todas as relações entre os dados por si própria. Essas redes são treinadas com os dados aerodinâmicos de uma aeronave narrow-body genérica, considerando as posições, ângulos e velocidades de corpo rígido, bem como os deslocamentos elásticos representados pela superposição de modos de vibração obtidos por uma análise estrutural com o método de Rayleigh-Ritz. A forma matricial simples de dimensões muito reduzidas torna a simulação dessas redes muito mais rápida que os cálculos do método vortex-lattice. As limitações dessas técnicas são identificadas conforme mais modos de vibração são incluídos nos modelos de ordem reduzida. Uma abordagem linearizada é proposta para obter derivadas aerodinâmicas com relação às coordenadas elásticas que sejam funções não-lineares das variáveis de corpo rígido. Essas redes apresentam tempos de treinamento muito menores, porém não são capazes de reproduzir todos os efeitos não-lineares. Para retificar isso, um termo de segunda ordem também é incluído para representar as maiores interações entre modos elásticos, resultando em um modelo com a mesma quantidade de modos de vibração que o modelo original, apresentando um bom equilíbrio entre tempo de treinamento, acurácia e tempo de simulação. Ainda que esse modelo tenha sido treinado para um conjunto específico de autovetores, a técnica de projeção modal permite seu uso para diferentes configurações de massa.

CORPOS FLEXIVEIS;SIMULADORES DE VOO;VIBRAÇÃO ESTRUTURAL;REDES NEURAIS;ESTRUTURAS RIGIDAS
Flight simulation is an essential part of the development and operation of any aircraft, not only supporting engineering analyses but also being fundamental for pilot training. In this sense, a practical simulation must be able to represent physical phenomena in a reasonable amount of time. However, as the mathematical and physical models become more complex, this balance between accuracy and cost becomes challenging. Such intricate models can be observed in flexible aircraft, in which the structural and aerodynamic couplings cause simulations to be computationally too expensive. An alternative approach is discussed in this work, replacing the aerodynamic calculations based on the vortex-lattice method for a database that relies on neural networks – a machine learning solution that estimates all relationships between the data by itself. These networks are trained with the aerodynamic data of a generic narrow-body aircraft, considering the rigid-body positions, angles and velocities, as well as the elastic displacements represented by a superposition of modes of vibration obtained with a Rayleigh-Ritz structural analysis. The networks’ simple matrix form with reduced dimensions provides much quicker simulations than the vortex-lattice method. The limitations of these techniques are identified as more modes of vibration are included in the reduced-order models. A linearized approach is proposed in order to obtain aerodynamic derivatives with respect to the elastic coordinates that are nonlinear functions of the rigid-body variables. These networks present much faster training times, but fail to account for all nonlinear effects. To rectify this, a second-order term is also included in order to represent major interactions between elastic modes, resulting in a model with the same amount of modes of vibration as the original model and that presents a good balance between training time, accuracy and simulation time. Even though this model is trained for a specific set of eigenvectors, modal projection allows for its use in different mass configurations.
FLEXIBLE AIRCRAFT FLIGHT MECHANICS STRUCTURAL VIBRATION
01
106
INGLES
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
O trabalho possui divulgação autorizada
DM134_2021.pdf

Contexto

Projeto aeronáutico, estruturas e sistemas aeroespaciais
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Banca Examinadora

ANTONIO BERNARDO GUIMARAES NETO
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
ROBERTO GIL ANNES DA SILVA Docente - PERMANENTE
FLAVIO LUIZ CARDOSO RIBEIRO Docente - PERMANENTE
EDUARDO MORGADO BELO Participante Externo
ANTONIO BERNARDO GUIMARAES NETO Docente - PERMANENTE

Vínculo

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Não
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