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Dados do Trabalhos de Conclusão

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
ENGENHARIA AERONÂUTICA E MECÂNICA (33011010008P0)
FLIGHT DYNAMICS OF FLEXIBLE AIRCRAFT USING GENERAL BODY AXES: A THEORETICAL AND COMPUTACIONAL STUDY
ANTONIO BERNARDO GUIMARAES NETO
TESE
17/12/2014

Desprezar os efeitos da dinâmica estrutural na dinâmica do voo de aviões modernos pode ser inadequado. O acoplamento dinâmico entre os graus de liberdade de corpo rígido e os elásticos pode ocorrer quando o projeto de uma aeronave privilegia a resistência à rigidez estrutural, e a separação em frequência entre os modos clássicos da dinâmica do voo e os modos aeroelásticos torna-se suficientemente pequena. Degradação das qualidades de voo e aumento da susceptibilidade a danos por fadiga estrutural e a oscilações induzidas pelo piloto estão entre as possíveis consequências do acoplamento dinâmico. O projeto de sistemas de controle também é altamente afetado. Os modelos iniciais para a dinâmica do voo de aeronaves flexíveis consideravam apenas efeitos aeroelásticos quase-estáticos sobre os coeficientes aerodinâmicos da aeronave rígida. As formulações dinamicamente acopladas, por outro lado, têm geralmente desprezado o acoplamento inercial entre os graus de liberdade de corpo rígido e os elásticos. De fato, muitos autores têm empregado as conhecidas restrições linearizadas dos eixos médios na dedução de equações do movimento simplificadas que resultam apenas aerodinamicamente acopladas. Para analisar a acurácia da formulação inercialmente desacoplada no contexto de pequenos deslocamentos estruturais, uma formulação que considera toda a dinâmica acoplada e permite a escolha arbitrária do sistema de eixos do corpo é desenvolvida nesta tese. A formulação requer a disponibilidade de um modelo estrutural de elementos finitos da aeronave, juntamente com propriedades de massa concentrada. Nas equações do movimento, os termos de acoplamento inercial são linearizados com respeito aos deslocamentos elásticos em torno de uma condição de equilíbrio determinada com a dinâmica não-linear completa. Modos de vibração apropriados são então utilizados como funções de forma no cálculo da dinâmica de deformação da estrutura. As forças aerodinâmicas generalizadas são modeladas pela superposição das contribuições de corpo rígido com as contribuições incrementais devido à deformação estrutural. Estas são modeladas com o método doublet-lattice, aerodinamicamente corrigido para levar em consideração efeitos viscosos e transônicos. Aproximações por funções racionais são parte do processo que permite representar no domínio do tempo as forças aerodinâmicas do método doublet-lattice, originalmente no domínio da frequência, resultando em um sistema aumentado no espaço de estados no qual o fenômeno do atraso aerodinâmico está representado. A formulação proposta é programada e testada na simulação de voo de um modelo genérico de avião da categoria narrow-body (GNBA, do inglês generic narrow-body airliner), o qual foi desenvolvido para o propósito destes estudos. Os resultados apresentados mostram que os diferentes eixos do corpo levam praticamente ao mesmo movimento total da aeronave em relação ao referencial inercial. São analisados os benefícios e as limitações dos diferentes sistemas de eixos, bem como de se considerarem ou não os acoplamentos dinâmico e inercial.

metado dos elementos finitos;funçoes racionais.
Neglecting the structural dynamic effects on the flight dynamics of modern aircraft may be inadequate. Dynamic coupling between the rigid-body and the elastic degrees of freedom can occur when the design favors strength over stiffness and the frequency separation between the classical flight dynamic modes and the aeroelastic modes becomes small enough. Degraded flying and ride qualities and increased susceptibility to fatigue damage and pilot-induced oscillations are among the possible consequences of the dynamic coupling. The design of control systems is also highly affected. The initial models for the flight dynamics of flexible aircraft considered only quasi-static aeroelastic effects on the aerodynamic coefficients of the rigid aircraft. The dynamically-coupled formulations, on the other hand, have often neglected the inertial coupling between the rigid-body and the elastic degrees of freedom. Indeed, most authors have used linearized mean-axis constraints in deriving simplified equations of motion that remain only aerodynamically coupled. To analyze the accuracy of the inertially-decoupled formulation in the context of small deformations, a formulation that takes into account all the coupled dynamics and allows an arbitrary choice of the body-axis system is developed in this thesis. The availability of a finite-element model of the aircraft structure, together with lumped mass properties, is required. In the equations of motion, the inertial coupling terms are linearized with respect to the elastic displacements around an equilibrium condition determined with the full nonlinear dynamics. Appropriate modes of vibration are then used as shape functions in the calculation of the dynamic deformation of the structure. The generalized aerodynamic forces are treated as the superposition of the rigid-body contributions and the incremental ones due to elastic deformation. The latter are modeled by the doublet-lattice method, aerodynamically corrected to take into account major transonic and viscous effects. Rational-function approximations are part of the process that allows the representation of the frequency-domain aerodynamics in the time domain, leading to an augmented state-space system that considers the aerodynamic lag phenomenon. The formulation is implemented and tested in the flight simulation of a generic narrow-body airliner (GNBA) model, developed for the purpose of these studies. Results are presented that show that the different body axes lead practically to the same overall motion of the aircraft with respect to an inertial reference frame. The benefits and the limitations in using each different axis system and in considering or not the dynamic and the inertial couplings are analyzed.
finite elements
01
450
INGLES
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
O trabalho possui divulgação autorizada
TD032_2014.pdf

Contexto

MECÂNICA E CONTROLE DO VÔO
AEROSERVOELASTICIDADE
ESTUDOS AVANÇADOS EM FÍSICA DO VOO

Banca Examinadora

ROBERTO GIL ANNES DA SILVA
DOCENTE - PERMANENTE
Não
Nome Categoria
PAULO AFONSO DE OLIVEIRA SOVIERO Participante Externo
FLAVIO JOSE SILVESTRE Participante Externo
EDUARDO MORGADO BELO Participante Externo

Vínculo

Colaborador
Instituição de Ensino e Pesquisa
Ensino e Pesquisa
Sim
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