Um método integrado para a estimativa das cargas aerodinâmicas atuando simultaneamente nos principais componentes da aeronave foi desenvolvido. Efeitos mútuos de interferência entre asa, fuselagem e empenagem foram considerados. Para atender aos anseios da indústria, este processo é adequado para a estimativa de cargas internas, como esforços cortantes, momentos fletor e torsor, atuando nos principais componentes da aeronave durante a etapa de projeto conceitual. Um aspecto importante é o nível de automação, o qual foi reforçado com o objetivo de adaptar o método a processos de otimização de projeto automatizados. Através de comparações com métodos disponíveis na literatura, a eficácia do método descrito neste trabalho foi analisada.

Neste trabalho foi realizado o cálculo das cargas aerodinâmicas e o pré-projeto estrutural de asa de uma aeronave de 50 passageiros durante o Mestrado Profissionalizante em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, ministrado pelo ITA em parceria com a EMBRAER, através do seu Programa de Especialização em Engenharia. Primeiramente, o modelo estrutural foi desenvolvido baseando-se nas características aerodinâmicas iniciais da aeronave, possibilitando que o programa de análise aerodinâmica BLWF fosse utilizado para a geração numérica das distribuições de pressão na asa. Estas foram transferidas para o modelo estrutural através do método de interpolação linear bidimensional. Comparativamente, a diferença entre os totais de cisalhamento e de momento fletor obtidos pelo BLWF e pelo NASTRAN apresentou-se menor que 10%. Após isto, foi realizada uma análise estrutural estática de dois casos de carregamento da pressão aerodinâmica em um modelo de elementos finitos construído no MSC.Nastran a partir da geometria do programa CATIA. Através da comparação com aeronave da EMBRAER de porte semelhante, os resultados obtidos nas análises aerodinâmica e estrutural mostraram-se coerentes, necessitando de mais iterações do projeto para a otimização do modelo. A validação da primeira foi realizada através de gráficos de distribuição de sustentação, de esforço cortante, momento fletor e momento torçor. E a segunda através da análise dos valores de tensão obtidos.

No projeto de aeronaves é incessante a busca pelo mínimo custo de operação, composto em grande parte pelo consumo de combustível. O peso estrutural da aeronave está diretamente ligado a este consumo. Para projeto de uma estrutura mais leve, é necessário a representação fidedigna das cargas atuantes na aeronave. Para o correto cálculo dessas cargas é muito importante a elaboração de um modelo aerodinâmico representativo das forças atuantes na aeronave. Neste trabalho é feita a comparação entre envelopes de cargas atuantes em uma asa calculados com modelos aerodinâmicos obtidos por diferentes formulações aerodinâmicas teóricas, sendo elas: potencial linearizado, potencial completo com correção de camada limite, Euler e RANS. De posse das distribuições de pressão representativas das que ocorrem na aeronave em todo seu envelope de vôo, é feita uma calibração para que se atinja coeficientes integrados de força normal correspondentes aos valores obtidos em ensaios de túnel de vento. Os envelopes de esforço cortante e momento fletor da asa em condições de vôo simétricas foram equivalentes em todas as metodologias empregadas, porém limitações dos métodos de obtenção de distribuição de pressão assim como do processo de calibração fizeram com que o envelope de momento torsor obtido não fosse representativo da física do problema. Em condições assimétricas, apenas nos envelopes de esforço cortante e momento fletor gerados pelos modelos obtidos com votex-lattice, os resultados foram aceitáveis.

Veículos aeronáuticos e aeroespaciais são sujeitos a cargas externas de rajadas, causando tensões transientes na estrutura. Na determinação das cargas devido à rajada, o histórico temporal da mesma assume uma variedade de formas e de magnitudes, e desta maneira, um histórico temporal específico não será representativo da situação global. Sendo assim, o assunto deve ser, de preferência, tratado com métodos estatísticos baseados em dados experimentais. Uma outra abordagem do problema seria efetuar o cálculo de resposta dinâmica da rajada discreta com variação de intensidade e da penetração da rajada até encontrar as respostas máximas. Um outro fato importante que entra na formulação do problema é a flexibilidade da estrutura, principalmente, para estruturas leves que voam em regimes de altas velocidades.O objetivo do presente trabalho é uma avaliação dos méritos dos dois processos e, eventualmente, chegar a resultados conclusivos sobre a comprovação dos requisitos de certificação.

A determinação das cargas de rajada contínua em uma aeronave se baseia na modelagem da turbulência atmosférica segundo seu conteúdo de freqüência, já que a turbulência ée um evento aleatório da natureza. Esta modelagem ée feita com base em observações experimentais realizadas ao longo de vários anos, e utiliza as propriedades estatísticas do sinal de rajada. O modelo da estrutura da aeronave ée baseado em elementos finitos, e empregou-se o software MSC/Nastran. A rigidez do modelo ée dada por vigas ("stick model") dispostas ao longo da linha elástica de cada um dos componentes estruturais da aeronave, e estas vigas são definidas com as propriedades de rigidez equivalentes à estrutura real. A distribuição de massa ée feita tomando-se a aeronave e dividindo-a em baias. Cada baia contém as informações de massa e inércia nelas contidas, bem como a posição do centro de gravidade (CG). Essas informações são então aplicadas ao modelo por massas concentradas ("lumped mass"). Quando necessário, divide-se a massa em várias outras, de forma a representar melhor o comportamento dinâmico de determinada região da estrutura. Para completar o modelo aeroelástico, foram definidos painéis aerodinâmicos (modelo Doublet Lattice) de forma a gerar os carregamentos aerodinâmicos devido à rajada e deformações da estrutura. Esse carregamento ée transferido à estrutura por meio de "Splines", que também são empregadas para transferir os deslocamentos da estrutura para o modelo aerodinâmico. De posse do modelo com as características dinâmicas necessárias (rigidez, inércia e excitação), especificam-se as condições de cálculo. Serão consideradas variações de peso e centro de gravidade da aeronave e, ainda, combinações de altitude e velocidade de vôo. Antes do cálculo das cargas propriamente dito, foi feita uma análise simplificada da estabilidade do modelo para garantir que este seja estável nas condições que serão usadas nos cálculos de resposta aeroelástica. O cálculo de flutter permite obter as velocidades e os mecanismos com que os eventos de instabilidade aeroelástica se manifestam na aeronave. Por fim, são estabelecidas as estações, ao longo dos componentes estruturais, onde as cargas serão apresentadas. O resultado ée um grupo de forças e momentos que representam os esforços correntes incrementais, em cada componente da aeronave, devido à aplicação da rajada contínua. Essas cargas devem ser combinadas com as cargas de vôo 1-g, a fim de se obterem os valores máximos das cargas que acontecem nos diversos pontos da estrutura.