DINÂMICA DE ESTRUTURAS E AEROELASTICIDADEgil/disciplinas/est-56/EST5682009.pdf · dinâmica de uma...

ESTEST--56 56 -- Prof. GilProf. Gil1

DINÂMICA DE ESTRUTURAS E

AEROELASTICIDADE

Prof. GIL

Aeroelasticidade - Considerações Finais


“Flutter clearance”

(envelope aeroelástico)


Estabilidade Aeroelástica

� Margem de velocidade de flutter - A margem de velocidade

equivalente não deve nunca ser menor que 15% em todos os

pontos do envelope da aeronave

� O amortecimento total (aerodinâmico mais estrutural) não

deve ser menor que 3 % (g=0.03) para qualquer modo

crítico.


Requisitos de Análise

� Deve-se realizar a análise aeroelástica para pelo menos 3 altitudes;

� Aerodinâmica compressível deve ser usada para regimes alto-subsônico e supersônico;

� A análise aeroelásticas devem ser baseados em modos de vibração calculados ou obtidos de experimentos;

� Deve-se considerar um número suficiente de modos que representem bem a dinâmica da estrutura da aeronave.


Escolha de modos representativos


Análise de flutter de asas

� Modos simétrico e anti-simétricos devem ser investigados para várias condições de massa, centro de gravidade e variações geométricas;

� Modos associados a movimentos de superfícies de controle devem ser incluídos nas análises, incluindo modos de fuselagem ou quaisquer outras partes da aeronave.


Softwares de Análise Aeroelástica

� Global Aeroelastic Software Developments:

�ZAERO (Zona Technology, U. S.)

�MSC/NASTRAN (MSC, U.S.)

�UAI/ASTROS (recently bought by MSC) (U.S.)

�UAI/NASTRAN (U.S.)

�ELFINI (France, Dessault)

�LAGRANGE (Germany, formerly MBB)

�STARS (Great Britain, RAE)

�OPTSYS (Sweden, SAAB)

�COMPASS (China)

�ARGON (Russia, Central Aerohydrodynamic Institute)


Requisitos para Certificação

� Requisitos militares

�MIL-A-8870 A, airplane strength, rigidity, flutter divergence, March 31, 1971.

�MIL-F-9490 D, flight control system - design, installationand test of piloted aircraft

� Requisitos militares

�FAR 23.629 Applies to Normal, Utility, Aerobatic, andCommuter Aircraft

�FAR 25.629 Applies To Transport Category Airplanes


Transonic flutter dip

Difícil de calcular !


Ensaios Aeroelásticos

Objetivos de um teste

� Faixa de velocidades

� Definição da calibração

� Capacidade da instalação

� custo

� Opções de testes

� Considerações sobre a velocidade de teste:

� Condições transônicas são de maior interesse

� Validação de análise subsônicas

� Capacidades das instalações de teste:

� Faixa de velocidade, pressão, meio de teste,fixação do modelo, ações preventivas (segurança), restrição do modelo, válvulas de bypass, redes de proteção, produtividade, acesso ao modelo, sistemas de excitação do modelo, controle de temperatura.


Ensaios Aeroelásticos

� Meios de teste:

� Ar

� Nitrogênio

� R-134a


Empenagem e fuselagem trazeira do DC-10

Tipos de modelos: Componentes

� Modelos de componentes são empregados para avaliar o comportamento aeroelástico de partes de aeronaves tais como empenagens, semi-asas, etc.

� Modelo maiores, construção simplificada

� Normalmente engastados nas paredes ou em mastros, mas pode-se adaptar suportes elásticos para simular a conexão com a estrutura da aeronave.


Tipos de modelos: Semi-Envergadura

� Empregados para simular efeitos das asas em empenagens ou mesmo para considerar o efeito da fuselagem

� Não é representativo do ponto de vista dinâmico-estrutural, não reproduz todos os modos, mas é mais barato de se construir e fixar no túnel


Tipos de modelos: Semi-Envergadura


Tipos de modelos: Completos

� Mais caros, mais representativos, e de difícil construção.

� Normalmente suportados por cabos para simular uma condição de vôo (livre-livre)


Instrumentação

� Extensômetros

� Acelerômetros

� Transdutores de pressão

� Estática

� Não-estacionária

� Balanças para medir esforços

� LVDT/RVDT

� Inclinômetros

� Filmagem de alta velocidade

� PSP – pressure sensitive painting (and TSP)


Sistemas de excitação


Suportes

STING MOUNT -

Balança tipo Sting

� Vantagens

� Modelos com envergadura total

� Minimiza os efeitos de interferência dos suportes

� Instrumentação mais simplificada do que sistemas restritos por cabos

� Desvantagens

� Custo do sistema de fixação usualmente é elevado


Suporte tipo “Sting”


Suporte por cabos

CABLE-MOUNT MODELS – Modelos suportados por cabos

� Vantagens

� Simulação mais realista da aeronave em vôo livre

� Do ponto de vista aerodinâmico;

� Simula-se os efeitos de escala dinâmica representando a estrutura da aeronave real com mais propriedade

� Contribuição de modos de corpo rígido

� Desvantagens

� Teste de alto risco


Suporte por cabos


Suporte por barra (guia)


Projeto de modelos

� Definição do tamanho da maquete (modelo)

� Escala

� Suportes

� Segurança

� Controle remoto

� Instrumentação

� Depende do tamanho da seção de testes

� Regras para testes transônicos em túnel de vento:

� Envergadura do modelo/ largura do túnel ~ 0.40

� Área em planta do modelo/área da seção transversal do túnel ~ 0.15

� Área da seção transversal do modelo / área da seção transversal do túnel ~ .01 até .015

� Correção dos efeitos de paredes através de CFD (alternativa)


Projeto de modelos

� Modelo em escala aeroelástica

� Fazer o modelo em escala é fácil, o problema é realizar um teste em condições que representam o efeito aeroelástico na escala real

� Gás pesado: ~ 4 vezes mais denso que o ar

� Velocidade do som baixa: aR-134a ~ 0.5 aAir

� Para pressões dinâmicas equivalentes, a potência requerida para o freonR-134a < que a potência requerida para o ar

� Gás pesado é vantajoso para teste aeroelástico

� O modelo pode ser mais pesado

� Frequências mais baixas

� Pode-se simular considerando similaridade de parâmetros tais como o número de Froude, Mach e razão de massa


Parâmetros de Similaridade

� Velocidade do Fluido/frequência - V/ωb

� Velocidade reduzida, comprimento de onda reduzido

� Velocidade do Fluido/velocidade do Som - Mach

� Aceleração do fluido/gravidade = V2/Lg; número de Froude

� Massa do corpo/massa aparente do fluido – razão de massa


Outros Parâmetros de Similaridade

� Forças de inércia do fluido / forças viscosas do fluido

� Reynolds

� Forças no fluido / forças elásticas

� Frequência / velocidade do som - ωL/af número de Machmodificado

� Aceleração da vibração/ aceleração da gravidade

� Número de Froude Modificado - w2L/g

� O efeito de escala no número de Mach é importante para a simulação de efeitos transônicos - ωL/af


Segurança dos modelos

� Como são caros, vale a pena investir em dispositivos de segurança;

� Massas móveis

� Sistemas de suporto com rigidez variável

� Estrutura “ back-up”

� Sistemas de corte de operação do túnel

� Válvulas de “bypass”


Referências

� “Aeroelasticity”; R. L. Bisplinhof, H. Ashley, R.L.Halfman; Addison-Wesley 1955

� “Flutter Model Technology”; R. Busan; Wright Laboratory WL-TR-97-3074; 1998


Ensaios de vibração no solo

� ENSAIOS DE VIBRAÇÃO NO SOLO – “GROUND VIBRATION TEST” - GVT

� O GVT é usado para identificar:

� Frequência, amortecimento e características de resposta dinâmica de uma estrutura

� Modos de vibração associados a uma resposta estrutural

� O GVT é importante para o refinamento do modelo matemático da estrutura;

� Medidas obtidas através de GVT podem fornecer uma modelo matemático alternativo e mais rigoroso

� Elemento (instrumento) chave para o GVT - acelerômetro


Ensaios de Vibração

http://macl.caeds.eng.uml.edu/umlspace/feb98.pdf

modos e frequências naturais de um corpo


Medida de aceleração

� Os acelerômetros podem ser fixos ou variarem a posição ao longo da estrutura;

� A sua direção (eixo com o qaul está alinhado) é importante;

� Teste de reciprocidade – verifica se o sistema de excitação é suficiente para que todos os acelerômetros consigam medir vibrações;

� Análise modal clássica – contexto linear;

� É desejável isolar os modos de corpo rígido de um corpo, quando o mesmo está na condição livre;

� Ortogonalidade, [φ]T [M ] [φ] = [ I ] e linearidade, {F}=[K]{x}, devem sempre ser verificadas!


Sistema de excitação

� GVT é baseado na medida de vibração da estrutura excitada por uma entrada conhecida

� I – Input – vibrador (shaker), ou martelo de impacto

� O - Output – acelerômetros fixos ou móveis

� Identifica-se frequências e modos de forma a partir da entrada conhecida

� Tipos de excitação : “shaker”fornece varreduras em seno, entrada randômica, shirp

� Martelo de impacto – entrada impulsiva (transiente)


Resposta dinâmica

� A resposta dinâmica da estrutura consiste da superposição de todos os modos naturais de vibração da estrutura

� Varreduras em seno identifica ressonâncias, investigação de determinadas frequências.

� Excitação randômica identifica todos modos e frequências

� Deve isolar a estrutura do ponto de vista de ruídos elétricos, eletromagnéticos ou mesmo mecânicos

� O amortecimento modal é identificado da relação entre a altura e a largura de um determinado pico ressonante.


Fixação de “shakers”


Suporte de “Shaker”


Fixação de acelerômetros


Ensaios Aeroelásticos em Vôo


Métodos de Excitação

� Condições a se considerar

� Níveis de força suficientes

� Faixa de frequências a serem excitadas

� Dispositivo de excitação devem ser levem para não modificar o modos estruturais da aeronave

� Dispositivos que não necessitem de muita energia para funcionar

� Tipos de excitação

� Pulsos e oscilações em superfícies de controle

� Impulsores (pirotécnicos)

� Sistemas de excitação inerciais

� Vanes (superfícies aerodinâmicas oscilantes)

� Turbulência atmosférica


Métodos de Excitação


Exemplos de Excitação


Ensaios Aeroelásticos em vôo


Ensaios Aeroelásticos - Doutrina

� Utiliza-se da técnica de mergulhar com a aeronave para alcançar maiores velocidades;

� Admite-se uma tolerância de mais ou menos 1000 pés em torno da condição de teste planejada:

� Mergulhos rápidos podem não dar tempo suficiente para a aquisição dos dados.

� É desejável repetir a condição para coleta dos dados, do ponto de vista estatístico.

� Deve-se tomar bastante cuidado em garantir que o incremento de velocidade é conhecido e está sob controle.


Ensaios Aeroelásticos em vôo


Medida de amortecimento


Ensaio de Flutter em Vôo

� Especificação :� conhecimento dos modos da

estrutura.;

� velocidades e modos de flutter;

� Faixa de frequências de excitação ;

� primeiro se ensaio uma configuração simples.

� Instrumentação da Aeronave:� Acelerômetros ;

� Sistemas de excitação:� pirotécnicos

� Vanes

� turbulência

� PIO

� Sistema de Aquisição de dados


Instrumentação

� Excitadores impulsivos

Dispositivo pirotécnico conhecido como “bonker”, que consiste em uma carga impulsiva segundo o perfil do gráfico ao lado. Quanto menor o tempo de atuação da carga, maiores são as frequências excitadas .


Instrumentação

� Excitador de inércia

Massa rotativa excêntrica que gera uma vibração de frequência variável de acordo com a velocidade de rotação

� Acelerômetros

Devem ser adequados às condições adversas do ambiente de emprego (temperatura, impacto e interferências)


Acelerômetros

� Disposição dos acelerômetros em posições de máximo deslocamento modal.

� Sistema de aquisição de dados

�Por telemetria

�Por gravação a bordo


Saída típica de um acelerômetro


Extrapolação do amortecimento

� Identifica-se da resposta no tempo dos acelerômetros amortecimentos para cada número de Mach de vôo

� Emprega-se técnicas de identificação de sistemas similares as empregadas em ensaios de vibração no solo quando se conhece a entrada (excitação)

� Quando a excitação é feita por turbulência (entrada não determinística), emprega-se análise modal operacional (OMA).

� Nunca se chega a condição de instabilidade, o amortecimento éextrapolado a partir de condições subcríticas :


� Parâmetros:

� Altitude/pressão dinâmica em condições próximas da instabilidade prevista teoricamente;

� Amortecimento total (Aerodinâmico + Estrutural)

� Finalidade :

� Comparação entre os amortecimentos totais medidos e calculados teoricamente;

� Definição de envelope de vôo livre de problemas de natureza aeroelástica.

O se deve medir:


Exemplo


Comparação Teórico - Experimental


Fronteiras de flutter

DINÂMICA DE ESTRUTURAS E AEROELASTICIDADEgil/disciplinas/est-56/EST5682009.pdf · dinâmica de uma...

Documents

Transcript of DINÂMICA DE ESTRUTURAS E AEROELASTICIDADEgil/disciplinas/est-56/EST5682009.pdf · dinâmica de uma...