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Este trabalho apresenta uma abordagem para a identificação da dinâmica não linear do modelo matemático de uma pá de helicóptero em rotação. Durante a simulação, foi considerado o helicóptero em voo pairado. Foi usada a representação bilinear para o modelo, uma das formas mais simples de representação de um modelo não linear. O modelo matemático da pá foi implementado através do método de elementos finitos e simulado em ambiente Matlab. Foi suada na identificação, uma rede neural artificial como técnica não convencional, já que demonstra grande capacidade de aproximação de modelos não lineares, grande desempenho em análise da dinâmica de sistemas flexíveis e implementação e rapidez consideráveis. As redes neurais com processamento temporal são usadas para aproximar componentes da dinâmica não linear sobre um conjunto de entradas prescritas, e são usadas em simulação como meio rápido de obter a resposta no tempo. Para capturar a natureza recursiva dos componentes dinâmicos do sistema foi usada uma rede feedforward com processamento temporal, com uma camada intermediária de neurônios e com entradas na rede atrasadas. Para verificar o desempenho da rede, foi feita a comparação entre os dados de simulação obtidos originalmente e os dados resultantes de simulação da rede. Este trabalho foi desenvolvido visando futuramente aplicação de técnicas de controle de vibrações em pás rotativas. / This work presents an approach for non-linear dynamics identification of a rotating helicopter blade mathematical model. During simulation, the helicopter was considered in hovering flight. A bilinear representation was used for the model, since it is known as one of the simplest forms of representation of a non linear model. Mathematical model of blade was implemented using finite elements method and simulated in Matlab. A neural network is used in the identification process as a non conventional technique, since it demonstrates good capacity for approximation non-linear models and good performance in terms of the analysis of the dynamics of flexible systems. It also presents good performance in terms of implementation and processing speed. The neural networks with time dependent processing are used to approximate the components of the non-linear dynamics over a prescribed inputs set, and they are used in simulation as a rapid way of obtaining the time response. In order to capture the recursive nature of the dynamic components of the system, a feedforward network with time dependent processing, with an intermediate layer of neurons and delayed inputs is used. The performance of the net was verified comparing the results obtained originally by simulation with those resulting from the network emulation. This work was developed in order to apply vibration control techniques to rotating blades.

Este trabalho apresenta uma abordagem para a identificação da dinâmica não linear do modelo matemático de uma pá de helicóptero em rotação. Durante a simulação, foi considerado o helicóptero em voo pairado. Foi usada a representação bilinear para o modelo, uma das formas mais simples de representação de um modelo não linear. O modelo matemático da pá foi implementado através do método de elementos finitos e simulado em ambiente Matlab. Foi suada na identificação, uma rede neural artificial como técnica não convencional, já que demonstra grande capacidade de aproximação de modelos não lineares, grande desempenho em análise da dinâmica de sistemas flexíveis e implementação e rapidez consideráveis. As redes neurais com processamento temporal são usadas para aproximar componentes da dinâmica não linear sobre um conjunto de entradas prescritas, e são usadas em simulação como meio rápido de obter a resposta no tempo. Para capturar a natureza recursiva dos componentes dinâmicos do sistema foi usada uma rede feedforward com processamento temporal, com uma camada intermediária de neurônios e com entradas na rede atrasadas. Para verificar o desempenho da rede, foi feita a comparação entre os dados de simulação obtidos originalmente e os dados resultantes de simulação da rede. Este trabalho foi desenvolvido visando futuramente aplicação de técnicas de controle de vibrações em pás rotativas. / This work presents an approach for non-linear dynamics identification of a rotating helicopter blade mathematical model. During simulation, the helicopter was considered in hovering flight. A bilinear representation was used for the model, since it is known as one of the simplest forms of representation of a non linear model. Mathematical model of blade was implemented using finite elements method and simulated in Matlab. A neural network is used in the identification process as a non conventional technique, since it demonstrates good capacity for approximation non-linear models and good performance in terms of the analysis of the dynamics of flexible systems. It also presents good performance in terms of implementation and processing speed. The neural networks with time dependent processing are used to approximate the components of the non-linear dynamics over a prescribed inputs set, and they are used in simulation as a rapid way of obtaining the time response. In order to capture the recursive nature of the dynamic components of the system, a feedforward network with time dependent processing, with an intermediate layer of neurons and delayed inputs is used. The performance of the net was verified comparing the results obtained originally by simulation with those resulting from the network emulation. This work was developed in order to apply vibration control techniques to rotating blades.

O objetivo deste trabalho é investigar o controle ativo de vibração em uma pá inteligente de helicóptero. O desenvolvimento de materiais inteligentes para trabalharem como sensores e atuadores apresentam uma nova alternativa no controle de vibração. A pá de helicóptero é modelada pelo método dos elementos finitos, considerando os movimentos de batimento, flexão no plano de rotação, estiramento axial e torção. O modelo da pá considera também ângulo de torção geométrica, não coincidência entre os eixos, elástico e do centro de gravidade das seções transversais e material isotrópico. O modelo matemático é desenvolvido, e nele é incorporado atuadores piezelétricos distribuídos ao longo da envergadura da pá. O controle ativo de vibração é baseado no controle individual da pá na condição de vôo pairado. As matrizes de elementos finitos são obtidas pelo método de energia e um procedimento de linearização é aplicado às equações resultantes. O carregamento aerodinâmico linearizado é calculado para a condição de vôo pairado e a representação no espaço de estados é usada para o projeto de um controlador. Usou-se a técnica de atribuição da autoestrutura por realimentação de saída no modelo de ordem reduzida, resultado da aplicação do método da expansão por frações parciais. As simulações do modelo em malha aberta e fechada, exibiu boas qualidades de resposta, o que mostra que o controle ativo é uma boa alternativa para a redução de vibrações em helicópteros. / The objective of this work is to investigate the performance of a smart helicopter blade. Developments on smart materials for both sensing and/or actuation have provided a novel alternative in vibration control. The helicopter blade is modeled by the finite element method, considering the motions of flapping, lead-lagging, axial stretching, and torsion. The blade model also considers a pretwist angle, offset between mass and elastic axes, and isotropic material. The helicopter blade mathematical model allows the incorporation of piezoelectric actuators distributed along the blade span. The active vibration control is based on the premise of individual blade control and the investigation is carried out for hovering flight condition the finite element matrices are obtained by energy methods and a linearization procedure is applied to the resulting expressions. The linearized aerodynamic loading is calculated for hover and the state-space approach is used to design the control law. The eigenstructure assignment by output feedback is used in the blade-reduced model resulting from the application of the expansion method by partial fractions. The simulations for open and closed-loop systems are presented, having exhibited good response qualities, which shows that output feedback is a good alternative for smart helicopter blade vibration attenuation.

O objetivo deste trabalho é investigar o controle ativo de vibração em uma pá inteligente de helicóptero. O desenvolvimento de materiais inteligentes para trabalharem como sensores e atuadores apresentam uma nova alternativa no controle de vibração. A pá de helicóptero é modelada pelo método dos elementos finitos, considerando os movimentos de batimento, flexão no plano de rotação, estiramento axial e torção. O modelo da pá considera também ângulo de torção geométrica, não coincidência entre os eixos, elástico e do centro de gravidade das seções transversais e material isotrópico. O modelo matemático é desenvolvido, e nele é incorporado atuadores piezelétricos distribuídos ao longo da envergadura da pá. O controle ativo de vibração é baseado no controle individual da pá na condição de vôo pairado. As matrizes de elementos finitos são obtidas pelo método de energia e um procedimento de linearização é aplicado às equações resultantes. O carregamento aerodinâmico linearizado é calculado para a condição de vôo pairado e a representação no espaço de estados é usada para o projeto de um controlador. Usou-se a técnica de atribuição da autoestrutura por realimentação de saída no modelo de ordem reduzida, resultado da aplicação do método da expansão por frações parciais. As simulações do modelo em malha aberta e fechada, exibiu boas qualidades de resposta, o que mostra que o controle ativo é uma boa alternativa para a redução de vibrações em helicópteros. / The objective of this work is to investigate the performance of a smart helicopter blade. Developments on smart materials for both sensing and/or actuation have provided a novel alternative in vibration control. The helicopter blade is modeled by the finite element method, considering the motions of flapping, lead-lagging, axial stretching, and torsion. The blade model also considers a pretwist angle, offset between mass and elastic axes, and isotropic material. The helicopter blade mathematical model allows the incorporation of piezoelectric actuators distributed along the blade span. The active vibration control is based on the premise of individual blade control and the investigation is carried out for hovering flight condition the finite element matrices are obtained by energy methods and a linearization procedure is applied to the resulting expressions. The linearized aerodynamic loading is calculated for hover and the state-space approach is used to design the control law. The eigenstructure assignment by output feedback is used in the blade-reduced model resulting from the application of the expansion method by partial fractions. The simulations for open and closed-loop systems are presented, having exhibited good response qualities, which shows that output feedback is a good alternative for smart helicopter blade vibration attenuation.

L’aérodynamique de l’hélicoptère est fortement impactée par les tourbillons générés aux extrémités de pales. La complexité des phénomènes en jeux et l’insuffisance de données expérimentales locales font du design d’extrémité un véritable défi. Cette étude propose une nouvelle approche dédiée à l’étude des extrémités en vol stationnaire. Une méthode numérique rapide et précise est mise au point afin d’étudier une extrémité de pale en rotation comme une extrémité d’aile fixe. Chaque étape de la construction de la méthode est validée par des comparaisons détaillées avec des données expérimentales publiées. Le code CFD elsA est dans un premier temps utilisé pour mettre en place une méthode de calcul basée sur la résolution des équations Reynolds-Averaged Navier-Stokes en stationnaire. La convergence de la solution et l’indépendance au maillage et aux paramètres numériques sont étudiées en détail en deux, puis en trois dimensions. La précision importante de la solution numérique permet d’analyser finement la physique de l’enroulement tourbillonnaire en extrémité. Des géométries tronquée et arrondie sont étudiées en détail, et révèlent la présence de systèmes tourbillonnaires complexes. Puis la nouvelle méthode d’adaptation pale en rotation / aile fixe est présentée. Une méthode de calcul hybride est mise au point entre le code de mécanique du vol HOST et le code elsA. En repère fixe, l’aérodynamique globale sur la pale et locale en extrémité est calculée fidèlement pour toutes les configurations étudiées. Comparée aux méthodes d’adaptation précédemment publiées, cette nouvelle stratégie offre une amélioration considérable concernant la simulation de l’aérodynamique de pale. / Helicopter aerodynamics is strongly influenced by the vortices generated from the rotor-blade tips. The design of efficient tip shapes is a challenging task because of the complexity of the aerodynamic phenomena involved and the lack of local blade-tip flow measurements. This work provides a contribution to the design of helicopter tips in hover. An efficient, relatively simple and quick numerical method is set up to study rotating blade tips in fixed-wing configurations. The accuracy of the method is shown at each step of the construction by comprehensive comparisons with reliable experimental data from the literature. First, an efficient steady Reynolds-Averaged Navier-Stokes method is constructed using ONERA's elsA code. Comprehensive studies of convergence, grid dependence and sensitivity to the numerical method are performed in two and three dimensions. The very good agreement of the solution with measurements and the accuracy of the numerical method allow a physical analysis with unprecedented detail of the vortex generation and roll-up near square and rounded wing tips. The new methodology of framework adaptation is then presented. An uncoupled hybrid strategy is set up using AIRBUS HELICOPTERS' Comprehensive Analysis code HOST and the Computational Fluid Dynamics solver elsA. Global and local performance calculations are validated for all investigated test cases. Comparison with previously published adaptation methods indicates considerable improvement in the prediction of the blade aerodynamics.