Aeroelasticidade - Aeroelasticity

NASA testando um modelo em escala Lockheed Electra em um túnel de vento para vibração

Aeroelasticidade é o ramo da física e da engenharia que estuda as interações entre as forças inerciais , elásticas e aerodinâmicas que ocorrem enquanto um corpo elástico é exposto a um fluxo de fluido . O estudo da aeroelasticidade pode ser amplamente classificado em dois campos: aeroelasticidade estática que trata da resposta estática ou de estado estacionário de um corpo elástico a um fluxo de fluido; e a aeroelasticidade dinâmica que lida com a resposta dinâmica (tipicamente vibracional ) do corpo .

Aeronaves são propensas a efeitos aeroelásticos porque precisam ser leves e suportar grandes cargas aerodinâmicas. As aeronaves são projetadas para evitar os seguintes problemas aeroelásticos:

divergência onde as forças aerodinâmicas aumentam o ângulo de ataque de uma asa que aumenta ainda mais a força;
reversão de controle onde a ativação do controle produz um momento aerodinâmico oposto que reduz, ou em casos extremos, reverte a eficácia do controle; e
flutter, que é a vibração incontida que pode levar à destruição de uma aeronave.

Os problemas de aeroelasticidade podem ser evitados ajustando-se a massa, rigidez ou aerodinâmica das estruturas, que podem ser determinados e verificados por meio de cálculos, testes de vibração do solo e ensaios de flutter em vôo . A vibração das superfícies de controle é geralmente eliminada pela colocação cuidadosa de balanços de massa .

A síntese da aeroelasticidade com a termodinâmica é conhecida como aerotermoelasticidade , e sua síntese com a teoria de controle é conhecida como aeroservoelasticidade .

História

A segunda falha do avião protótipo de Samuel Langley no Potomac foi atribuída a efeitos aeroelásticos (especificamente, divergência torcional). Um dos primeiros trabalhos científicos sobre o assunto foi a Teoria da Estabilidade de um Avião Rígido de George Bryan publicada em 1906. Problemas com divergência de torção afetaram aeronaves na Primeira Guerra Mundial e foram resolvidos em grande parte por tentativa e erro e endurecimento ad hoc de a asa. O primeiro caso registrado e documentado de flutter em uma aeronave foi o ocorrido com um bombardeiro Handley Page O / 400 durante um vôo em 1916, quando sofreu uma violenta oscilação de cauda, que causou extrema distorção na fuselagem traseira e nos elevadores para se mover. assimetricamente. Embora a aeronave tenha pousado com segurança, na investigação subsequente FW Lanchester foi consultado. Uma de suas recomendações era que os elevadores esquerdo e direito deveriam ser rigidamente conectados por um eixo rígido, o que posteriormente se tornaria um requisito de projeto. Além disso, o National Physical Laboratory (NPL) foi convidado a investigar o fenômeno teoricamente, o que foi posteriormente realizado por Leonard Bairstow e Arthur Fage .

Em 1926, Hans Reissner publicou uma teoria da divergência de asas, levando a muitas pesquisas teóricas adicionais sobre o assunto. O próprio termo aeroelasticidade foi cunhado por Harold Roxbee Cox e Alfred Pugsley no Royal Aircraft Establishment (RAE), Farnborough no início dos anos 1930.

No desenvolvimento da engenharia aeronáutica na Caltech , Theodore von Kármán iniciou um curso "Elasticidade aplicada à Aeronáutica". Após ministrar o curso por um período, Kármán o passou para Ernest Edwin Sechler , que desenvolveu a aeroelasticidade naquele curso e na publicação de livros didáticos sobre o assunto.

Em 1947, Arthur Roderick Collar definiu a aeroelasticidade como "o estudo da interação mútua que ocorre dentro do triângulo das forças inerciais, elásticas e aerodinâmicas que atuam em membros estruturais expostos a uma corrente de ar e a influência deste estudo no projeto".

Aeroelasticidade estática

Em um avião, dois efeitos aeroelásticos estáticos significativos podem ocorrer. A divergência é um fenômeno no qual a torção elástica da asa repentinamente se torna teoricamente infinita, fazendo com que a asa falhe. A reversão de controle é um fenômeno que ocorre apenas em asas com ailerons ou outras superfícies de controle, nas quais essas superfícies de controle invertem sua funcionalidade usual (por exemplo, a direção de rolamento associada a um determinado momento do aileron é invertida).

Divergência

A divergência ocorre quando uma superfície de elevação desvia sob carga aerodinâmica em uma direção que aumenta ainda mais a elevação em um ciclo de feedback positivo. O aumento de sustentação desvia a estrutura ainda mais, o que eventualmente leva a estrutura ao ponto de divergência.

Equações para divergência de um feixe simples

A divergência pode ser entendida como uma propriedade simples das equações diferenciais que governam a deflexão da asa . Por exemplo, modelando a asa do avião como um feixe isotrópico de Euler-Bernoulli , a equação de torção desacoplada do movimento é

{\ displaystyle GJ {\ frac {d ^ {2} \ theta} {dy ^ {2}}} = - M ',}

onde y é a dimensão da envergadura, θ é a torção elástica da viga, GJ é a rigidez torcional da viga, L é o comprimento da viga e M 'é o momento aerodinâmico por unidade de comprimento. Sob uma teoria de força de elevação simples, o momento aerodinâmico é da forma

{\ displaystyle M '= CU ^ {2} (\ theta + \ alpha _ {0}),}

onde C é um coeficiente, U é a velocidade do fluido em fluxo livre e α ₀ é o ângulo de ataque inicial. Isso produz uma equação diferencial ordinária da forma

{\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} \ theta} {dy ^ {2}}} + \ lambda ^ {2} \ theta = - \ lambda ^ {2} \ alpha _ {0},}

Onde

{\ displaystyle \ lambda ^ {2} = C {\ frac {U ^ {2}} {GJ}}.}

As condições de limite para uma viga livre presa (ou seja, uma asa cantilever) são

{\ displaystyle \ theta | _ {y = 0} = \ left. {\ frac {d \ theta} {dy}} \ right | _ {y = L} = 0,}

que produz a solução

{\ displaystyle \ theta = \ alpha _ {0} [\ tan (\ lambda L) \ sin (\ lambda y) + \ cos (\ lambda y) -1].}

Como pode ser visto, para λL = π / 2 + nπ , com número inteiro arbitrário n , tan ( λL ) é infinito. n = 0 corresponde ao ponto de divergência torcional. Para determinados parâmetros estruturais, isto irá corresponder a um único valor de velocidade de fluxo livre- L . Esta é a velocidade de divergência de torção. Observe que para algumas condições de contorno especiais que podem ser implementadas em um teste de túnel de vento de um aerofólio (por exemplo, uma restrição de torção posicionada à frente do centro aerodinâmico) é possível eliminar o fenômeno de divergência por completo.

Inversão de controle

A reversão da superfície de controle é a perda (ou reversão) da resposta esperada de uma superfície de controle, devido à deformação da superfície de levantamento principal. Para modelos simples (por exemplo, aileron único em um feixe de Euler-Bernoulli), as velocidades de reversão de controle podem ser derivadas analiticamente quanto à divergência de torção. A reversão de controle pode ser usada para obter vantagem aerodinâmica e faz parte do projeto do rotor com aba servo Kaman .

Aeroelasticidade dinâmica

A aeroelasticidade dinâmica estuda as interações entre as forças aerodinâmicas, elásticas e inerciais. Exemplos de fenômenos aeroelásticos dinâmicos são:

Flutter

Flutter é uma instabilidade dinâmica de uma estrutura elástica em um fluxo de fluido, causada pelo feedback positivo entre a deflexão do corpo e a força exercida pelo fluxo de fluido. Em um sistema linear , "ponto de flutter" é o ponto no qual a estrutura está passando por um movimento harmônico simples - amortecimento líquido zero - e, portanto, qualquer diminuição adicional no amortecimento líquido resultará em uma auto-oscilação e eventual falha. O "amortecimento líquido" pode ser entendido como a soma do amortecimento positivo natural da estrutura e o amortecimento negativo da força aerodinâmica. A flutter pode ser classificada em dois tipos: flutter forte , em que o amortecimento da rede diminui muito repentinamente, muito próximo ao ponto de flutter; e flutter suave , em que o amortecimento da rede diminui gradativamente.

Na água, a razão de massa da inércia de passo da folha para aquela do cilindro circunscrevendo de fluido é geralmente muito baixa para a vibração binária ocorrer, como mostrado pela solução explícita do determinante de estabilidade de passo e vibração mais simples.

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Vídeo da ponte Tacoma Narrows sendo destruída por vibração aeroelástica

Estruturas expostas a forças aerodinâmicas - incluindo asas e aerofólios, mas também chaminés e pontes - são projetadas cuidadosamente dentro de parâmetros conhecidos para evitar vibração. Formas rombas, como chaminés, podem emitir um fluxo contínuo de vórtices conhecido como rua de vórtice Kármán , que pode induzir oscilações estruturais. Strakes são normalmente enrolados em chaminés para impedir a formação desses vórtices.

Em estruturas complexas onde a aerodinâmica e as propriedades mecânicas da estrutura não são totalmente compreendidas, a flutter pode ser descontada apenas por meio de testes detalhados. Mesmo mudando a distribuição de massa de uma aeronave ou a rigidez de um componente pode induzir vibração em um componente aerodinâmico aparentemente não relacionado. Em sua forma mais branda, isso pode aparecer como um "zumbido" na estrutura da aeronave, mas na sua forma mais violenta, pode se desenvolver descontroladamente com grande velocidade e causar sérios danos ou levar à destruição da aeronave, como no vôo Braniff 542 , ou os protótipos do caça VL Myrsky . Notoriamente, a ponte Tacoma Narrows original foi destruída como resultado de vibração aeroelástica.

Aeroservoelasticidade

Em alguns casos, foi demonstrado que os sistemas de controle automático ajudam a prevenir ou limitar a vibração estrutural relacionada à vibração.

Rotação de turbilhão de hélice

A vibração de turbilhão de hélice é um caso especial de vibração envolvendo os efeitos aerodinâmicos e inerciais de uma hélice em rotação e a rigidez da estrutura da nacela de suporte . A instabilidade dinâmica pode ocorrer envolvendo graus de liberdade de inclinação e guinada da hélice e os suportes do motor, levando a uma precessão instável da hélice. A falha dos suportes do motor levou à vibração de turbilhão ocorrendo em dois Lockheed L-188 Electra em 1959 no vôo Braniff 542 e novamente em 1960 no vôo 710 da Northwest Orient Airlines .

Aeroelasticidade transônica

O fluxo é altamente não linear no regime transônico , dominado por ondas de choque em movimento. É de missão crítica para aeronaves que voam através de números Mach transônicos. O papel das ondas de choque foi analisado pela primeira vez por Holt Ashley . Um fenômeno que impacta a estabilidade da aeronave conhecido como "mergulho transônico", no qual a velocidade de flutter pode chegar perto da velocidade de vôo, foi relatado em maio de 1976 por Farmer e Hanson, do Langley Research Center .

Buffeting

Buffeting da barbatana causada pela quebra do vórtice na asa HARV F / A-18 da NASA .

Buffeting é uma instabilidade de alta frequência, causada pela separação do fluxo de ar ou oscilações da onda de choque de um objeto colidindo com outro. É causado por um impulso repentino de aumento de carga. É uma vibração forçada aleatória. Geralmente afeta a cauda da estrutura da aeronave devido ao fluxo de ar a jusante da asa.

Os métodos para detecção de buffet são:

Diagrama do coeficiente de pressão
Divergência de pressão na borda de fuga
Calculando a separação do bordo de fuga com base no número de Mach
Divergência flutuante de força normal

Predição e cura

Balanço de massa projetando-se de um aileron usado para suprimir a vibração

No período 1950-1970, AGARD desenvolveu o Manual on Aeroelasticity que detalha os processos usados na resolução e verificação de problemas aeroelásticos juntamente com exemplos padrão que podem ser usados para testar soluções numéricas.

A aeroelasticidade envolve não apenas as cargas aerodinâmicas externas e a forma como elas mudam, mas também as características estruturais, de amortecimento e de massa da aeronave. A previsão envolve fazer um modelo matemático da aeronave como uma série de massas conectadas por molas e amortecedores que são ajustados para representar as características dinâmicas da estrutura da aeronave. O modelo também inclui detalhes das forças aerodinâmicas aplicadas e como elas variam.

O modelo pode ser usado para prever a margem de flutter e, se necessário, testar correções para problemas em potencial. Pequenas mudanças cuidadosamente escolhidas na distribuição de massa e rigidez estrutural local podem ser muito eficazes na solução de problemas aeroelásticos.

Os métodos de previsão de flutter em estruturas lineares incluem o método p , o método k e o método pk .

Para sistemas não lineares , a flutter é geralmente interpretada como uma oscilação de ciclo limite (LCO), e métodos do estudo de sistemas dinâmicos podem ser usados para determinar a velocidade na qual a flutter ocorrerá.

meios de comunicação

Estes vídeos detalham o Active Aeroelastic Wing de duas fases NASA - programa de pesquisa de voo da Força Aérea para investigar o potencial de asas flexíveis de torção aerodinâmica para melhorar a capacidade de manobra de aeronaves de alto desempenho em velocidades transônicas e supersônicas , com superfícies de controle tradicionais, como ailerons e guias. abas de borda usadas para induzir a torção.

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Filme de tempo decorrido de teste de carga de asa Aeroelástica Ativa (AAW), dezembro de 2002
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Teste de vôo F / A-18A (agora X-53) Asa Aeroelástica Ativa (AAW), dezembro de 2002

Falhas aeroelásticas notáveis

A ponte Tacoma Narrows original foi destruída como resultado de vibração aeroelástica.
Giro da hélice vibração do Lockheed L-188 Electra no vôo 542 da Braniff .
1931 Acidente do Transcontinental & Western Air Fokker F-10 .
A vibração da liberdade corporal do drone GAF Jindivik .

Veja também

Referências

Leitura adicional

Bisplinghoff, RL, Ashley, H. e Halfman, H., Aeroelasticity . Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6 , 880 p.
Dowell, EH, A Modern Course on Aeroelasticity . ISBN 90-286-0057-4 .
Fung, YC, Uma Introdução à Teoria da Aeroelasticidade . Dover, 1994, ISBN 978-0-486-67871-9 .
Hodges, DH e Pierce, A., Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity , Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5 .
Wright, JR e Cooper, JE, Introduction to Aircraft Aeroelasticity and Loads , Wiley 2007, ISBN 978-0-470-85840-0 .
Hoque, ME, "Active Flutter Control", LAP Lambert Academic Publishing , Germany, 2010, ISBN 978-3-8383-6851-1 .
Collar, AR, "Os primeiros cinquenta anos de aeroelasticidade", Aerospace, vol. 5, não. 2, pp. 12-20, 1978.
Garrick, IE e Reed WH, "Historical development of flight flutter", Journal of Aircraft, vol. 18, pp. 897–912, novembro de 1981.
Patrick R. Veillette (23 de agosto de 2018). "Buffet de baixa velocidade: a fraqueza do treinamento transônico em alta altitude continua" . Aviação comercial e empresarial . Rede da Semana da Aviação.

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