Este trabalho apresenta uma metodologia utilizando técnicas de otimização estrutural para o projeto de placas feitas de material composto laminado sujeitas a interação fluido-estrutura. O procedimento de otimização busca o aumento da velocidade de ut- ter através da maximização das frequências naturais relacionadas aos modos de vibração que estão envolvidos no fenômeno. A analise de estabilidade aero elástica é feita através do método ZONA6 ou método de malha de dipolos, implementado no software ZAERO. O método dos elementos finitos e aplicado para resolver as equações de equilíbrio no modelo estrutural, a sensibilidade dos autovalores com relação as variáveis de projeto é calculada analiticamente e programação linear sequencial é aplicada. A maximização é feita usando dois métodos; o primeiro utiliza uma analise aero elástica para determinar qual modo causa o início de utter, o autovalor associado e então maximizado, na segunda estratégia um método de diferenças finitas é aplicado e as sensibilidades da velocidade de utter com respeito aos autovalores são calculadas, a analise de sensibilidade é usada para guiar o processo de otimização. Por fim, um processo de otimização topológica é aplicado para reduzir a massa das placas em estudo, usando a minimização de volume do material base com a densidade sendo a variável de projeto. / This work presents a structural optimization aided design methodology for composite laminated plates subject to fluid-structure interaction. The goal of the optimization procedure is to increase the flutter speed onset through the maximization of natural frequencies related to the vibration modes involved in the phenomenon. The aeroelastic stability analysis is performed using the ZONA6 method or Doublet mesh method by means of ZAERO software. The finite element method is applied to solve the structural model equilibrium equations, the eigenvalues sensitivities with respect to design variables are calculated analytically, and sequential linear programming is applied. The maximization is accomplished using two methods; the first method uses an aeroelastic analysis to determinate which eigenmode causes the flutter onset, and its eigenvalue is then maximized. In the second method, a forward finite difference method is applied and the flutter speed sensitivities with respect to the eigenvalues are calculated. This sensitivity is used to guide the optimization process. Finally, a topology optimization process is applied to reduce the mass of the plates under study, using the base material volume minimization with density as design variable.

Este trabalho apresenta uma metodologia utilizando técnicas de otimização estrutural para o projeto de placas feitas de material composto laminado sujeitas a interação fluido-estrutura. O procedimento de otimização busca o aumento da velocidade de ut- ter através da maximização das frequências naturais relacionadas aos modos de vibração que estão envolvidos no fenômeno. A analise de estabilidade aero elástica é feita através do método ZONA6 ou método de malha de dipolos, implementado no software ZAERO. O método dos elementos finitos e aplicado para resolver as equações de equilíbrio no modelo estrutural, a sensibilidade dos autovalores com relação as variáveis de projeto é calculada analiticamente e programação linear sequencial é aplicada. A maximização é feita usando dois métodos; o primeiro utiliza uma analise aero elástica para determinar qual modo causa o início de utter, o autovalor associado e então maximizado, na segunda estratégia um método de diferenças finitas é aplicado e as sensibilidades da velocidade de utter com respeito aos autovalores são calculadas, a analise de sensibilidade é usada para guiar o processo de otimização. Por fim, um processo de otimização topológica é aplicado para reduzir a massa das placas em estudo, usando a minimização de volume do material base com a densidade sendo a variável de projeto. / This work presents a structural optimization aided design methodology for composite laminated plates subject to fluid-structure interaction. The goal of the optimization procedure is to increase the flutter speed onset through the maximization of natural frequencies related to the vibration modes involved in the phenomenon. The aeroelastic stability analysis is performed using the ZONA6 method or Doublet mesh method by means of ZAERO software. The finite element method is applied to solve the structural model equilibrium equations, the eigenvalues sensitivities with respect to design variables are calculated analytically, and sequential linear programming is applied. The maximization is accomplished using two methods; the first method uses an aeroelastic analysis to determinate which eigenmode causes the flutter onset, and its eigenvalue is then maximized. In the second method, a forward finite difference method is applied and the flutter speed sensitivities with respect to the eigenvalues are calculated. This sensitivity is used to guide the optimization process. Finally, a topology optimization process is applied to reduce the mass of the plates under study, using the base material volume minimization with density as design variable.

A exploração de fenômenos aeroelásticos dinâmicos visando à conversão de energia do escoamento em eletricidade tem recebido crescente atenção nos últimos anos. As aplicações se estendem desde estruturas aeroespaciais até a alimentação de sistemas eletrônicos sem fio e diferentes mecanismos de transdução têm sido utilizados. O uso de um aerofólio é uma abordagem conveniente e escalável para criar instabilidades e oscilações persistentes para coleta aeroelástica de energia. Este trabalho tem por objetivo avaliar configurações alternativas de aerofólio para a coleta de energia do escoamento. As análises abrangem as versões lineares e não lineares de geradores aeroelásticos de energia baseados em aerofólio com dois (2GDL) e com três graus de liberdade (3GDL) que utilizam transdução piezelétrica e eletromagnética separadamente e também simultaneamente. Em todos os casos o acoplamento eletroaeroelástico é adicionado ao grau de liberdade de flexão do aerofólio e um circuito elétrico externo utilizado para cada tipo de mecanismo de transdução. As equações adimensionais que governam o sistema eletroaeroelástico são apresentadas para cada caso e uma carga resistiva é considerada no domínio elétrico para a previsão da potência gerada. Inicialmente, as previsões do modelo piezoaeroelástico linear com 2GDL são verificadas a partir de resultados experimentais obtidos em ensaios em túnel de vento na condição de flutter. Posteriormente, no primeiro estudo de caso, o comportamento eletroaeroelástico da seção típica com 2GDL é investigado, na velocidade de flutter, variando-se parâmetros aeroelásticos e eletromecânicos. No segundo estudo de caso, uma não linearidade do tipo freeplay é adicionada ao grau de liberdade de rotação da seção típica de 2GDL. Neste caso, a seção típica é estudada na velocidade mais baixa na qual o sistema apresenta oscilações em ciclo limite para diversas configurações de parâmetros aeroelásticos e eletromecânicos. As oscilações não lineares em ciclo limite podem ser obtidas abaixo da velocidade linear de flutter. Finalmente, o comportamento eletroaeroelástico de uma seção típica linear com 3GDL é estudado segundo a variação de diferentes parâmetros. Em todos os estudos de caso, a potência gerada e a amplitude dos GDLs mecânicos são investigadas. Com o estudo, é possível localizar regiões ótimas de parâmetros adimensionais as quais propiciam um aumento da potência elétrica de saída com velocidades de escoamento aceitáveis. Uma vez escalável, é possível redimensionalizar o modelo e manufaturá-lo. / The exploration of dynamic aeroelastic phenomena for converting wind energy into low-power electricity has received growing attention in the last years. Applications extend from aerospace structures to wireless electronic systems. The use of an airfoil is a convenient approach to create instabilities and persistent oscillations for flow energy harvesting. In this work, the goal is to establish alternative configurations of the airfoil for flow energy harvesting. The analysis presented here covers linear and nonlinear versions of aeroelastic energy generators based on an airfoil with two degrees of freedom and three degrees of freedom using piezoelectric and electromagnetic transduction separately and simultaneously. Both forms of coupling are added to the plunge degree of freedom in the presence of a separate electrical load for each type of transduction. The governing coupled dimensionless electroaeroelastic equations are given with a resistive load in each electrical domain to predict system behavior. First, the model predictions are compared with experimental data obtained in wind tunnel tests under flutter condition validating the model for the case of two degrees of freedom and piezoelectric coupling. After, in the first case study the typical section with two and three degrees of freedom is studied at the linear flutter speed for several aeroelastic and electromechanical parameters configurations. In the second case of study a freeplay non-linearity is added to the rotational degree of freedom of the two degree of freedom typical section. In this case, the typical section is studied at the lowest flow speed at which the system presents limit cycle oscillations for different aeroelastic and electromechanical system parameters. The non-linear limit cycle oscillations may be obtained below the linear flutter speed. In both cases, the power generation is analyzed as well as the maximum displacements of the mechanical degrees of freedom. With this study, it is possible to locate the favorable dimensionless parameter regions that give maximum electrical power output as well as reasonable airflow speeds. In this scalable problem, the results can be used for design and fabrication of optimal airfoil-based flow energy harvesters.

Aeroelasticidade não linear é uma área multidisciplinar e importante em engenharia aeronáutica e aeroespacial. Aeroelasticidade é o estudo do mecanismo de interação entre os esforços aerodinâmicos e dinâmico-estruturais. Os avanços nas técnicas de CFD se concentram nas aplicações de problemas aerodinâmicos cada vez mais complexos, como os fenômenos associados com a formação e movimento das ondas de choque em escoamentos transônicos e escoamentos separados. Com os desenvolvimentos dos códigos de CFD, o tratamento de problemas aeroelásticos por meio de abordagens computacionais é denominado aeroelasticidade computacional. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise dos efeitos não lineares em aeroelasticidade no domínio do tempo em regime transônico. A metodologia proposta pretende investigar os efeitos não lineares em aerofólios onde são consideradas as não linearidades estruturais e aerodinâmicas. Neste trabalho as não linearidades aerodinâmicas estão associadas à formação e ao passeio das ondas de choque. Nesta situação, verifica-se que a fronteira de ocorrência de flutter é degradada rapidamente na faixa de vôo transônico, onde este fenômeno é denominado de depressão transônica. Dois códigos de CFD foram considerados, ambos baseados na formulação de Euler. Para a solução do sistema aeroelástico no domínio do tempo é aplicado o método Runge-Kutta combinado com o código de CFD. Neste caso, o código de CFD não estacionário é construído em um contexto de malhas não estruturadas. Esta consiste da primeira análise aeroelástica através da metodologia de marcha no tempo utilizando este código de CFD. As respostas aeroelásticas se concentram particularmente para o aerofólio NACA0012 através da história no tempo e retrato de fase para investigar os efeitos típicos não lineares como oscilações em ciclos limite, assim como, são construídas as fronteiras de flutter. Para o cálculo direto da fronteira de flutter é utilizado o código da análise de bifurcação de Hopf, onde o modelo de CFD é baseado no contexto de malhas estruturadas. Em trabalhos anteriores com este código foram obtidas as fronteiras do flutter em perfis e asas simétricos com modelos estruturais lineares. Este trabalho apresenta a primeira análise deste código considerando o modelo estrutural não linear. As não linearidades estruturais concentradas mostraram ter um efeito significativo na resposta aeroelástica podendo ser observadas as oscilações em ciclos limite abaixo da fronteira de flutter. As metodologias de marcha no tempo e análise de bifurcação de Hopf foram comparadas e os resultados apresentaram boa concordância. Isto comprovou a confiabilidade das duas metodologias na análise dos efeitos não lineares em aeroelasticidade. As análises de marcha no tempo com o modelo estrutural não linear também foram realizadas após a ocorrência do flutter e sua influência nas oscilações em ciclos limite foram observadas. / Nonlinear aeroelasticity is a multidisciplinary field, that is important in aeronautics and aerospace engineering. Aeroelasticity can be defined as the science which studies the mutual interaction between aerodynamic and dynamic forces. Computational fluid dynamics (CFD) has matured to the point where it is being applied to complex problems in external aerodynamics, particulary for phenomena associated with shock motions or separation. These two observations have motivated the development of CFD-based aeroelastic simulation, a fiel now being called computational aeroelasticity. The nonlinearities in the aeroelastic analysis are divided into aerodynamic and structural ones. The aim of this work is concerned with an application of time domain analysis for aeroelastic problems in a transonic flow. The methodology here proposed is to present an investigation on the effects of nonlinearities on airfoil flutter where both aerodynamic and structural concentrated nonlinearities are considered. In this work the aerodynamic nonlinearity arises from the presence of shock waves in transonic flows. In this situation, the unsteady forces generated by motion of the shock wave have been shown to destabilize single degree-of-freedom airfoil pitching motion and affect the bending-torsional flutter by lowering the flutter speed at the so-called transonic dip phenomenon. Two CFD tools are employed in the present work and they are based on the Euler formulation. To solve the aeroelastic problem the Runge-Kutta method is applied combined with the CFD code. In this case, the unsteady CFD tool solves flows in the an unstructured computational domain discretisation. This CFD tool had never been used for time domain aeroelastic analysis before. The responses concerned particularly the NACA0012 airfoil by investigating flutter boundary and typical LCO nonlinear effects from phase plane. For direct flutter boundary calculation, Hopf bifurcation analysis is employed, where the CFD code is based on structured grids for computation domain discretisation. Previous work has demonstrated the scheme for both symmetric airfoil and wing with linear structural model. The current work presents the first investigations of the structural nonlinearities effects with the method. The concentrated nonlinearities show to have significant effects on the aeroelastic responses and to provide limit cycle oscillation (LCO) below the flutter speed. Time marching analysis is performed and compared with direct calculation of Hopf bifurcation points. The results agree well and these computational tools have shown to be powerful to analyse nonlinear effects in aeroelasticity. Post bifurcation behavior is analysed to show influence of nonlinear structural terms on LCO with the time marching solver.

The modeling, analysis and experimental verification of a two-degree-of-freedom typical aeroelastic section with superelastic shape memory alloy springs are presented. The focus is to investigate the effects of the phase transformation of the shape memory alloy springs on the flutter and post-flutter behaviors of the typical section. The shape memory alloy phase transformation kinetics is described by a modified version of well-known phenomenological models. The shape memory alloy spring model is based on classical spring design (with the pure shear assumption) and modified to account for the nonlinear effects of phase transformation. The cross-section of the shape memory alloy wire is represented by a linear radial distribution of shear strain and nonlinear radial distributions of shear stress and martensitic fraction. The equations of motion of a linear typical section are modified to include the shape memory alloy springs. A linear unsteady aerodynamic model is employed to determine the aerodynamic loads. The proposed model is cast into state-space representation and solved with a Runge-Kutta method. It is numerically and experimentally shown that the phase transformation of shape memory alloy springs can be effectively exploited to enhance the aeroelastic behavior of a typical section by replacing unstable flutter oscillations by stable oscillations of acceptable amplitudes over a range of airflow speeds, providing a useful method of passive aeroelastic control. Since the modified aeroelastic behavior is attractive for wind energy harvesting purposes, electromechanical coupling is also modeled in the plunge degree-of-freedom along with a resistive load in the electrical domain for electrical power estimation. The exploitation of the shape memory alloy phase transformation is more attractive for airfoil-based wind energy harvesting performance than the use of typical concentrated nonlinearities (e.g., hardening steel) in terms of enhanced electrical power output. / A modelagem, análise e verificação experimental de uma seção típica aeroelástica com dois graus de liberdade e molas com memória de forma superelásticas são apresentadas. O foco é investigar os efeitos da histerese pseudoelástica das molas com memória de forma nos comportamentos de flutter e pós-flutter da seção típica. A cinética das transformações de fase nas molas com memória de forma é descrita por uma versão modificada de modelos fenomenológicos amplamente conhecidos. O modelo de molas helicoidais com memória de forma é baseado em teoria clássica de molas (com a hipótese de cisalhamento puro) e modificado para representar os efeitos não lineares de transformação de fase. A seção transversal do fio da mola com memória de forma é representada por uma distribuição radial e linear de deformações de cisalhamento e por distribuições radiais e não lineares de tensões cisalhantes e de frações martensíticas. As equações de movimento de uma seção típica linear são modificadas para incluir as molas com memória de forma. Um modelo aerodinâmico linear não estacionário é utilizado para se determinar as cargas aerodinâmicas. O modelo proposto é representado em espaço de estados e resolvido com um método Runge-Kutta. Mostra-se, numérica e experimentalmente, que a histerese pseudoelástica de molas com memória de forma pode ser efetivamente explorada para melhorar o comportamento aeroelástico de uma seção típica ao transformar oscilações instáveis de flutter em oscilações estáveis e de amplitudes aceitáveis em uma faixa de velocidades do escoamento, provendo um método útil de controle aeroelástico passivo. Como o comportamento aeroelástico modificado (pela histerese pseudoelástica) é atrativo para a coleta de energia do escoamento, um acoplamento eletromecânico é modelado no grau de liberdade de deslocamento linear, juntamente com uma carga resistiva no domínio elétrico do problema para se estimar a potência elétrica gerada. A exploração da histerese pseudoelástica das molas com memória de forma é mais atrativa para a performance da coleta aeroelástica de energia do que o uso de não linearidades concentradas típicas (como o enrijecimento não linear do aço) em termos de melhoria na potência elétrica gerada.

A conversão de vibração em energia elétrica tem sido investigada por diversos grupos de pesquisa na última década. A principal motivação é a prospecção de fontes alternativas de energia elétrica para sistemas eletroeletrônicos remotamente operados e com fontes limitadas de energia. Diferentes mecanismos de transdução são investigados na literatura para a coleta de energia, entretanto, o piezelétrico tem se destacado devido à densidade de energia que proporciona e também facilidade de uso. Uma alternativa promissora que começa a ser estudada por alguns grupos de pesquisas é a conversão de energia de oscilações aeroelásticas em energia elétrica. Apesar da natureza destrutiva da maioria dos fenômenos aeroelásticos, eles apresentam um grande potencial para o estudo de novos mecanismos e sistemas para coleta de energia. A conversão piezelétrica de energia a partir de oscilações aeroelásticas lineares tem sido investigada. Entretanto, a geração piezoaeroelástica de energia pode se tornar mais atrativa e prática se realizada a partir sistemas aeroelásticos não lineares. A conversão se daria a partir de oscilações persistentes e com amplitude limitada (oscilações em ciclo limite – LCO) ocorrendo em um amplo intervalo de velocidades de escoamento. Define-se o objetivo deste projeto como a investigação numérica da conversão piezelétrica de energia a partir de oscilações aeroelásticas não lineares. Um modelo por elementos finitos para placa plana com piezocerâmicas é desenvolvido, respeitando-se as hipóteses de uma placa de von Kàrmàn. O carregamento aerodinâmico não estacionário é determinado a partir do método de malha de dipolos e uma aproximação do domínio do tempo obtida a partir da formulação apresentada por Roger. Os resultados eletroaeroelásticos são apresentados para asas com diferentes razões de aspecto investigadas em uma ampla faixa de velocidades e considerando-se diversos valores de resistores no domínio elétrico. / The converting of vibration into usable electrical energy has been investigated by several researches groups in the last decade. The main motivation is the possibility of obtaining alternatives electrical energy sources to power electronic system remotely operated and with limited energy sources. Different transduction mechanism has been presented in the energy harvesting literature. However the piezoelectric has been gained more attention because not only of its power density but also its ease of use. A promissory alternative that is becoming studied is the converting of aeroelastic oscillation into electrical energy. Despite of the destructive nature of unstable aeroelastic phenomena (such as, flutter), they present a great potential to the study of innovative mechanism to harvest energy. Although the piezoelectric energy conversion using linear aeroelastic has been investigated in the literature, the use of non linear aeroelastic system can be more practical and attractive. The non linear aeorelastic harvesting occurs by persistent oscillation and with limited amplitudes (Limited Cycle Oscillation – LCO) and can be performed by considerable velocity interval greater than the linear flutter speed. The objective of this work is to investigate the energy harvesting by non linear aeroelastic oscillation. A finite element model of a thin plate (with piezoceramics) is developed), using the non linear hypothesis of von Karman. The unstable aerodynamic loading is obtained by a doublet-lattice method (DLM) and with its time domain conversion using the Roger approximation. The eletroaeroelastic results are presented for several wings with different aspect ratios, and with different resistance values in the electrical domain. The eletroaeroelastic results of the generator wing are investigated for several airspeed greater than its linear flutter speed.

Este trabalho apresenta uma metodologia utilizando técnicas de otimização estrutural para o projeto de placas feitas de material composto laminado sujeitas a interação fluido-estrutura. O procedimento de otimização busca o aumento da velocidade de ut- ter através da maximização das frequências naturais relacionadas aos modos de vibração que estão envolvidos no fenômeno. A analise de estabilidade aero elástica é feita através do método ZONA6 ou método de malha de dipolos, implementado no software ZAERO. O método dos elementos finitos e aplicado para resolver as equações de equilíbrio no modelo estrutural, a sensibilidade dos autovalores com relação as variáveis de projeto é calculada analiticamente e programação linear sequencial é aplicada. A maximização é feita usando dois métodos; o primeiro utiliza uma analise aero elástica para determinar qual modo causa o início de utter, o autovalor associado e então maximizado, na segunda estratégia um método de diferenças finitas é aplicado e as sensibilidades da velocidade de utter com respeito aos autovalores são calculadas, a analise de sensibilidade é usada para guiar o processo de otimização. Por fim, um processo de otimização topológica é aplicado para reduzir a massa das placas em estudo, usando a minimização de volume do material base com a densidade sendo a variável de projeto. / This work presents a structural optimization aided design methodology for composite laminated plates subject to fluid-structure interaction. The goal of the optimization procedure is to increase the flutter speed onset through the maximization of natural frequencies related to the vibration modes involved in the phenomenon. The aeroelastic stability analysis is performed using the ZONA6 method or Doublet mesh method by means of ZAERO software. The finite element method is applied to solve the structural model equilibrium equations, the eigenvalues sensitivities with respect to design variables are calculated analytically, and sequential linear programming is applied. The maximization is accomplished using two methods; the first method uses an aeroelastic analysis to determinate which eigenmode causes the flutter onset, and its eigenvalue is then maximized. In the second method, a forward finite difference method is applied and the flutter speed sensitivities with respect to the eigenvalues are calculated. This sensitivity is used to guide the optimization process. Finally, a topology optimization process is applied to reduce the mass of the plates under study, using the base material volume minimization with density as design variable.

Identificação e predição do comportamento aeroelástico representa um grande desafio para a análise e controle de fenômenos aeroelásticos adversos. A modelagem aeroelástica requer informações tanto sobre a dinâmica estrutural quanto sobre o comportamento aerodinâmico não estacionário. No entanto, a maioria das metodologias disponíveis atualmente são baseadas no desacoplamento entre o modelo estrutural e o modelo aerodinâmico não estacionário. Conseqüentemente, métodos alternativos são bem vindos na área de pesquisa aerolástica. Entre os métodos alternativos está o funcional multicamada, que fornece uma rigorosa representação matemática apropriada para modelagem aeroelástica e pode ser obtido através de redes neurais artificiais. Esse trabalho apresenta uma aplicação desse método, consistindo de um procedimento de identificação baseado em redes neurais artificiais que representam o funcional da resposta aeroelástica. O modelo neural foi treinado usando o algoritmo de Levenberg-Marquardt, o qual tem sido considerado um método de otimização muito eficiente. Ele combina a garantia de convergência do método do gradiente e o alto desempenho do método de Newton, sem a necessidade de calcular as derivadas de segunda ordem. Um modelo de asa ensaiado em túnel de vento foi usado para fornecer a resposta aeroelástica. A asa foi fixada a uma mesa giratória e um motor elétrico lhe fornecia o movimento de incidência. Essa representação aeroelástica funcional foi testada para diversas condições operacionais do túnel de vento. Os resultados mostraram que o uso de redes neurais na identificação da resposta aeroelástica é um método alternativo promissor, o qual permite uma rápida avaliação da resposta aerolástica do modelo. / Identification and prediction of aeroelastic behavior presents a significant challenge for the analysis and control of adverse aeroelastic phenomena. Aeroelastic modeling requires information from both structural dynamics and unsteady aerodynamic behavior. However, the majority of methodologies available today are based on the decoupling of structural model from the unsteady aerodynamic model. Therefore, alternative methods are mostly welcome in the aeroelastic research field. Among the alternative methods there is the multi-layer functional (MLF), that allows a rigorous mathematical framework appropriate for aeroelastic modeling and can be realized by means of artificial neural networks. This work presents an identification procedure based on artificial neural networks to represent the motion-induced aeroelastic response functional. The neural network model has been trained using the Levenberg-Marquardt algorithm that has been considered a very efficient optimization method. It combines the guaranteed convergence of steepest descent and the higher performance of the Newton\'s method, without the necessity of second derivatives calculation. A wind tunnel aeroelastic wing model has been used to provide motion-induced aeroelastic responses. The wing has been fixed to a turntable, and an electrical motor provides the incidence motion to the wing. This aeroelastic functional representation is then tested for a range of the wind tunnel model operational boundaries. The results showed that the use of neural networks in the aeroelastic response identification is a promising alternative method, which allows fast evaluation of aeroelastic response model.

A aeroelasticidade estuda a interação mútua entre os efeitos aerodinâmicos e estruturais. É sabido que essa relação muitas vezes se comporta de maneira não linear, causando diversos problemas, tais como flutter, oscilações em ciclo limite, bifurcações e caos. Tais fenômenos são difíceis de serem diagnosticados, podendo causar problemas graves à estrutura das aeronaves e também inviabilizar as suas operações. Dentre as principais fontes de não linearidades em sistemas aeroelásticos, pode-se citar as de origem aerodinâmica e estrutural. As de origem estrutural, por sua vez, podem ter caráter distribuído ou concentrado. Sabe-se que os efeitos estruturais concentrados denominados enrijecimento e folga são os de maior impacto na aeroelasticidade não linear. Desse modo, o objetivo desse trabalho é estudar a interação não linear entre duas não linearidades estruturais, ou seja, o enrijecimento associado à rigidez em torção e a folga presente nas articulações das superfícies de controle de seções típicas aeroelásticas. Experimentos em túnel de vento são realizados utilizando um dispositivo que permite variar a intensidade do efeito de enrijecimento e do tamanho da folga na articulação da superfície de comando. O modelo numérico de seção típica aeroelástica também é utilizado e validado com dados experimentais. Análises por meio de diagramas de bifurcação de Hopf e técnicas baseadas em espectros de potência são utilizadas. Todas as respostas aeroelásticas foram caracterizadas através de ferramentas de análise nos domínios do tempo e da frequência, como técnica de reconstrução de espaço de estados e os espectros de alta ordem (HOS), os quais são importantes na identificação dos tipos de acoplamentos não lineares. Resultados indicam que a combinação dos efeitos de enrijecimento e folga são responsáveis pelo comportamento subcrítico das bifurcações de Hopf e que a intensidade do enrijecimento tem influência direta nas amplitudes de ciclo limite. / Aeroelasticity is the field of engineering that deals with the mutual interaction between the aerodynamic and structural dynamics effects. It is known that this relationship often shows nonlinear behavior, causing various problems such as flutter, limit cycle oscillations, bifurcations and chaos. Such phenomena are difficult to predict and can cause serious problems to the aircraft structure and also they can jeopardize their operations. The unsteady aerodynamic and structural dynamics provide the main sources of nonlinearities in aeroelastic systems. Structural nonlinearities can be treated as distributed or concentrated effects. It is know that the nonlinear concentrated structural effects referred as hardening and freeplay have a significant impact on nonlinear aeroelasticity. The objective of this work is to analyze an aeroelastic system under the influence of combined structural nonlinearities, i.e., the hardening nonlinearity in the pitch airfoil motion and the freeplay nonlinearity in the control surface hinge. Wind tunnel experiments are carried out using one device that allows to vary the intensity of the hardening effect and the size of the freeplay gap in the control surface hinge. The numerical model of the typical aeroelastic section is also used and validated with experimental data. All aeroelastic responses are characterized by analytical tools in time and frequency domains. It was used the state space reconstruction technique and the higher order spectral analysis (HOS) to identify types of nonlinear couplings. The results indicate that the combination of hardening and freeplay effects are responsible for inducing the subcritical behavior on the Hopf bifurcations and that the intensity of the stiffness has a direct influence on the limit cycle amplitudes.

Neste trabalho, desenvolve-se um método de fronteira imersa para o estudo de escoamento compressível modelado pelas equações de Euler bidimensionais. O método de discretização de diferenças finitas é empregado, usando o método de Steger-Warming de ordem dois para discretizar as variáveis espaciais e o esquema de Runge-Kutta de ordem quatro para discretizar as variáveis temporais. O método da fronteira imersa foi empregado para o estudo de aeroelasticidade computacional em uma seção típica de aerofólio bidimensional com dois movimentos prescritos: torsional e vertical, com o objetivo de se verifcar a eficiência do método e sua aplicabilidade para problemas em aeroelasticidade computacional. Neste estudo desenvolveu-se também um programa de computador para simular escoamentos compressíveis de fluido invíscido utilizando a metodologia proposta. A verificação do código gerado foi feita utilizando o método das soluções manufaturadas e o problema de reflexão de choque oblíquo. A validação foi realizada comparando-se os resultados obtidos para o escoamento ao redor de uma seção circular e de uma seção de aerofólio NACA 0012 com os resultados experimentais, para cada caso. / In this work, an immersed boundary method is developed to study compressible flow modeled by the two-dimensional Euler equations. The finite difference method is employed, using the second order Steger-Warming method to discretizate the space variables and the fourth order Runge-Kutta method to discretizate the time variables. The immersed boundary method was employed to study computational aeroelasticity on a typical two-dimensional airfoil section with two prescribed motion: pitching and plunging, in order to verify the efficiency of the numerical method and its applicability in computational aeroelasticity problems. In this work, a computer program was developed to simulate compressible flows for inviscid fluids using the methodology proposed. The verification of the computational code was performed using the method of manufactured solutions and the oblique shock wave reflection problem. The validation was performed comparing the obtained results for flows around a circular section and a NACA 0012 airfoil section with the experimental results, for each case.