PG-EAM - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica
EN PT
Dissertação de Mestrado 2015

Modelagem de uma aeronave flexível empregando teoria das faixas não-estacionária

Autor

Rafael Mendes Bertolin

Orientador

  • Orientador Flávio José Silvestre

Área de Concentração

Mecânica de Voo

Data de Defesa

15/12/2015

Número da Tese

70001

Resumo

Com a contínua evolução tecnológica aliada às práticas e diretrizes pregadas pela chamada Engenharia Verde, tais como a menor emissão de poluentes e o uso energético eficiente e sustentável, materiais como os compósitos estão sendo cada vez mais empregados pela indústria aeroespacial, sempre buscando melhorar a relação resistência/peso. Isto tem possibilitado o desenvolvimento de aeronaves mais leves, com asas mais alongadas e menos espessas e fuselagens mais delgadas, características estas que propiciam uma otimização aerodinâmica e consequentemente benefícios econômicos. O problema é que estas mesmas características tem conferido aos aviões modernos uma inerente penalização da rigidez estrutural, que por sua vez acarreta em um aumento da flexibilidade. O aumento da flexibilidade é acompanhado de uma redução da faixa de frequências que separa os modos característicos do movimento de corpo rígido dos modos aeroelásticos, podendo ocorrer assim acoplamentos dinâmicos indesejáveis, de forma que degradações das qualidades de voo, aumento da susceptibilidade a danos estruturais por fadiga, oscilações induzidas pelo piloto e degradação da eficiência do sistema de controle estão entre as possíveis consequências de tais acoplamentos. Para contornar esse panorama é notória a importância de se ter já nas fases preliminares de projeto de uma aeronave um modelo integrado que leve em consideração tanto os efeitos da dinâmica de corpo rígido como também os efeitos da dinâmica estrutural. Ao longo dos últimos anos, várias formulações matemáticas têm sido propostas para representar o movimento de uma aeronave flexível. Estas formulações possuem diferentes níveis de complexidade e constituem modelos de diversas ordens. Nesta dissertação a abordagem desenvolvida por Silvestre e Luckner e publicada no artigo intitulado ''Experimental Validation of a Flight Simulation Model for Slightly Flexible Aircraft'' é apresentada e implementada para modelar e simular a dinâmica do voo de uma aeronave flexível. Trata-se de uma formulação unificada, idealizada para aeronaves pouco ou moderadamente flexíveis, deduzida a partir da mecânica Lagrangeana, adotando-se como referencial do corpo o sistema de coordenadas dos eixos médios e representando as deformações estruturais por meio da superposição modal, garantindo assim que o acoplamento entre a dinâmica de corpo rígido e a dinâmica estrutural seja exclusivamente de caráter aerodinâmico. Já o carregamento aerodinâmico incremental devido à vibração é obtido por meio de uma formulação não-estacionária no domínio do tempo em conjunto com a teoria das faixas. A metodologia é aplicada para um modelo genérico de avião da categoria narrow-body, uma aeronave conceitual com flexibilidade variável. Os resultados tanto para voo em manobra como para voo em equilíbrio são comparados com os resultados disponíveis de um modelo de maior fidelidade.

Palavras-chave

Corpos flexíveis Projeto de aeronaves Aerodinâmica não-estacionária Vibração estrutural Estruturas rígidas Aeroelasticidade Dinâmica de voo Física Engenharia aeronáutica