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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
ENGENHARIA AERONÂUTICA E MECÂNICA (33011010008P0)
MODELING AND ANALYSIS OF THE FLIGHT DYNAMICS OF A VERY FLEXIBLE TRANSPORT AIRCRAFT
GUILHERME HIROITI GOMES MIYADAIRA
DISSERTAÇÃO
15/12/2022

A avaliação da dinâmica de voo de uma aeronave muito flexível é comumente encontrada para aeronaves do tipo High Altitude Long Endurance (HALE) ou planadores, porém poucos resultados foram publicados para aeronaves do tipo de transporte. Este trabalho apresenta uma análise da dinâmica de voo de uma aeronave de transporte muito flexível cujas dimensões estão entre os Embraer E-Jets e o Boeing 737 ou Airbus A320. A aeronave é modelada com a ferramenta AeroFlex implementada no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). O modelo estrutural é construído com elementos de vigas em uma formulação geometricamente não linear baseada em deformações das vigas. O modelo aerodinâmico é composto pelo método Vortex-Lattice (VLM) quase estacionário para as superfícies sustentadoras e um método semi-empírico para obter as cargas aerodinâmicas da fuselagem e das naceles. Um método para a transferência de informações entre os modelos estrutural e aerodinâmico é proposto, permitindo discretização independente entre os modelos. Seis níveis de flexibilidade (100%, 50%, 25%, 15%, 10% e 5% da rigidez nominal) bem como a aeronave rígida são analisados. Cálculos de equilíbrio são realizados para a condição de voo reto e nivelado. A dinâmica linearizada é obtida através de perturbações em torno da condição de equilíbrio. A estabilidade dinâmica é analisada e as derivadas aerodinâmicas efetivas obtidas com um modelo reduzido são avaliadas para explicar os efeitos da flexibilidade nos modos dinâmicos. Uma discussão sobre alguns métodos de integração para problemas stiff é realizada. Em seguida, simulações não lineares no tempo são apresentadas considerando entradas de comando de superfície no GNBA. Os resultados numéricos são calculados tanto com a formulação geometricamente linear quanto com a formulação geometricamente não linear. A comparação dos resultados mostra que a formulação geometricamente linear chega em resultados satisfatórios principalmente devido ao efeito de torção aparente característico de uma asa com enflechamento positivo. Reversão de comando do aileron é observada para os casos de 10% e 5% da rigidez nominal. Para a aeronave mais flexível, o modo de Dutch roll se mostrou instável, enquanto o par de polos complexos conjugados da fugoide foi degenerado em dois polos reais, um estável e outro instável.

MECÂNICA DE VOO;DINAMICA DE VOO;MÉTADOS DE ELEMENTOS FINITOS
The investigation of the flight dynamics of a very flexible aircraft is commonly found for High Altitude Long Endurance (HALE) airplanes or gliders, but limited results were published for a transport aircraft configuration. This work investigates the flight dynamics of a very flexible Generic Narrow-Body Airliner (GNBA) whose dimensions resemble an intermediate airplane between the Embraer E-Jets and the Boeing 737 or the Airbus A320. The airplane is modeled in the AeroFlex implemented at the Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). A geometrically nonlinear strain-based formulation is used to model the aircraft structure represented by beam finite elements. The aerodynamic model is comprised of a quasi-steady Vortex-Lattice Method (VLM) for the lifting surfaces and a semi-empirical method for the fuselage and nacelle loads. A method for the interconnection between the structural and aerodynamic models is proposed, allowing completely independent discretization of these models. Six different levels of flexibility (100%, 50%, 25%, 15%, 10% and 5% of the nominal stiffness) as well as the rigid airplane are analyzed. Equilibrium calculations are performed in straight and level flight. Then, the linearized dynamics are obtained through perturbations around the equilibrium condition. Dynamic stability is analyzed and the effective aerodynamic derivatives obtained with a reduced model are examined to explain the effects of flexibility on the dynamic modes. A discussion of integration methods for stiff systems is presented, followed by time-marching nonlinear simulations of the GNBA subjected to control surface commands. The numerical results are always calculated with both the geometrically linear and the geometrically nonlinear formulations. The results comparison shows that accurate results can be obtained with the geometrically linear formulation mainly due to the so-called apparent torsion effect of a sweptback wing. Aileron reversal is observed in the cases of 10% and 5% of the nominal stiffness. For the most flexible case, the Dutch roll mode showed to be unstable and the complex conjugate poles of the phugoid mode were degenerated into two real poles, one stable and one unstable.
FLEXIBLE BODIES GEOMETRICLY NON-LINEAR VERY FLEXIBLE AIRCRAFT
01
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INGLES
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
O trabalho possui divulgação autorizada
DM171_2022 - Guilherme Hiroti.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
EDUARDO MORGADO BELO Participante Externo
ANTONIO BERNARDO GUIMARAES NETO Docente - PERMANENTE
NEY RAFAEL SECCO Docente - PERMANENTE
FLAVIO LUIZ CARDOSO RIBEIRO Docente - PERMANENTE

Vínculo

-
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Não
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