A aeroelasticidade é a ciência que estuda os fenômenos provenientes das interações entre forças aerodinâmicas, elásticas e inerciais. Estes fenômenos podem ser classificados como estáticos ou dinâmicos e estes divididos em problemas de estabilidade ou de resposta. Destaca-se aqui o flutter, um fenômeno aeroelástico dinâmico de estabilidade. A velocidade crítica de flutter é a fronteira entre a estabilidade e instabilidade de um sistema aeroelástico. Em velocidades menores que a crítica qualquer oscilação é amortecida ao longo do tempo. Na velocidade crítica o sistema aeroelástico apresenta oscilações auto excitadas com amplitude e frequência constantes. Acima da velocidade crítica verificam-se oscilações instáveis que resultam na falha de uma estrutura. Este trabalho apresenta o projeto, fabricação e testes de um modelo experimental para testes de flutter em túnel de vento. O modelo experimental é composto por uma asa rígida conectada a uma suspensão elástica que atribui dois graus de liberdade ao experimento. As características inerciais e elásticas do modelo experimental são determinadas e utilizadas em um modelo aeroelástico computacional. Este modelo utiliza as equações de movimento para uma seção típica combinadas com o modelo aerodinâmico não estacionário de Theodorsen. O método V-g é utilizado para a solução do problema de flutter, ou seja, determinação da velocidade crítica de flutter. Esta solução é confrontada com a velocidade crítica medida em ensaios em túnel de vento. A evolução aeroelástica do modelo experimental é medida e apresentada como respostas no domínio do tempo e da frequência. / Aeroelasticity is the science which studies the interaction among inertial, elastic, and aerodynamic forces. Aeroelastic phenomena can be divided in static and dynamic problems and these studied as problems of stability or response. Flutter is a dynamic aeroelastic problem of stability and one of the most representative topics of aeroelasticity. The critical flutter speed can be defined as the frontier between stability and instability. Below the critical speed vibrations are damped out as time proceeds. At the critical flutter speed the system presents a self-sustained oscillatory behavior with constant frequency and amplitude. Unstable oscillations are observed for speeds above the critical one leading to structural failure. The design, fabrication and tests of an experimental model for flutter tests in wind tunnels are presented in this work. The experimental model has a rigid wing connected to a flexible suspension that allows vibrations in two degrees of freedom. The elastic and inertial parameters of the experimental system are used in a computational aeroelastic model. The equations of motion for a typical aeroelastic section and an unsteady aerodynamic model given by Theodorsen are combined and the resulting aeroelastic equations are solved using the V-g method. The computational results are compared with the experimental critical flutter speed measured in wind tunnel tests. The experimental aeroelastic behavior with increasing airflow speed is given in time and frequency domain.

In complex flow situations, it is common to use numerical tools to evaluate the aerodynamic unsteady behavior. The present work presents an alternate formulation for the state space representation of aeroelastic systems based on digital control theory that is shown to be effective and accurate for the coupling of numerical solutions with such systems. The application of the z transform allows for direct frequency domain representations of the aerodynamic solutions without the need for approximating models, as generally occurs in other state space formulations. This fact makes this new methodology also a more straightforward procedure for aeroelastic analyses. A survey on the numerical calculation of impulsive and indicial unsteady aerodynamic responses with modern CFD solvers is also presented. A brief historical background on this subjected is introduced, and it is shown how new interpretations of CFD solvers as discrete-time systems change the way impulsive and indicial responses can be directly obtained. The objective is to demonstrate that the rigorous relationships theoretically established among the aerodynamic responses to impulsive, indicial, harmonic and smooth inputs can be reproduced numerically with modern CFD solvers. Although the numerical results presented herein are obtained with a single CFD tool, the argument is valid for every numerical solution scheme. The CFD tool in question solves the two-dimensional Euler equations with an explicit time march, using a finite volume discretization which supports fully unstructured grids. The results are compared both in the time and in the frequency domains, which yields a more complete understanding of details of the numerical solutions. Finally, typical section models of a flat plate and a NACA 0012 airfoil at subsonic and transonic speed are used as test-cases in order to assess the correctness and accuracy of the proposed aeroelastic analysis methodology. The present results are compared with data obtained from continuous-time state space formulations and through the direct integration of the structural dynamic and aerodynamic equations.

Apesar do recente desenvolvimento em aeroelasticidade computacional e ferramentas em CFD para escoamentos não-estacionários, a maioria das análises de estabilidade aeroelástica das estruturas de asas no regime transônico que são realizados em ambiente de engenharia ainda dependem da aplicação de métodos de correção para as cargas aerodinâmicas previstas por códigos baseados em teoria aerodinâmica linear. No entanto, há escassez de literatura sobre as capacidades e limitações de cada método, assim como a sua adequação a cada projeto de asa ou fenômeno físico envolvido. Este trabalho apresenta uma extensa revisão dos aspectos físicos da aerodinâmica não-estacionária em regime transônico, aeroelasticidade em regime transônico, e é concluído com um estudo sobre três métodos diferentes de correção: método NLR - utilização do número de Mach local; SKEM - Método da Expansão Sucessiva da Função Núcleo; e método Dau-Garner. Como casos de teste, três diferentes estruturas de asa: asa PAPA supercrítica; asa AGARD 445.6 enfraquecida; e asa do avião YXX. Correlação entre as previsões teóricas e experimentos indica que os projetos distintos de asa, dominados por diferentes fenômenos físicos, requerem o uso de diferentes métodos para incorporação precisa das características não-lineares dominantes às ferramentas clássicas de análise aeroelástica.

This work presents an extensive analysis on the linear and nonlinear behavior of three degrees of freedom typical airfoil section oscillating in a bidimensional incompressible flow. The nonlinearity is introduced by means of control surface freeplay. The theoretical modeling of the aeroelastic system is reviewed from structural and aerodynamic standpoint. Two methodologies are used for generalized unsteady aerodynamic loads calculation: one developed by Theodorsen in frequency domain and other developed by Peters completely in time domain. Comparisons among the main flutter solution techniques available in literature are presented and discussed. These analyses provide guidance for the subsequent nonlinear analysis. On the nonlinear field, the limit cycle behavior is demonstrated through bifurcation diagrams, obtained via numerical simulations in time domain and harmonic linearizations in frequency domain. Moreover, the effects of aerodynamic loads selection are also discussed.

Uma formulação da dinâmica da aeronave flexível é apresentada e usada na investigação das contribuições da flexibilidade e efeitos de aerodinâmica não-estacionária sobre as características da mecânica de voo. A metodologia é aplicada a um planador construído em material composto com asas enflechadas de alto alongamento. Para a representação dos fenômenos aerodinâmicos não-estacionários, uma teoria das faixas modificada aplicável a asas enflechadas é empregada. A formulação permite que a matriz de coeficientes de influência seja calculada no domínio da frequência. São consideradas, na obtenção das forças aerodinâmicas, tanto as contribuições dos graus de liberdade flexíveis quanto de corpo rígido, no regime linear e de pequenas perturbações. O modelo aerodinâmico, no domínio do tempo, é obtido após a aplicação da aproximação por funções racionais segundo o modelo de Roger. As informações relacionadas ao comportamento estrutural decorrem, inicialmente, de um modelo de elementos finitos de casca, empregado em uma análise modal para obtenção dos modos naturais de vibração. As formas deformada e indeformada das superfícies sustentadoras são aproximadas através de um procedimento de interpolação empregando splines de superfície. O eixo elástico é obtido, para diversas seções ao longo da envergadura, segundo uma metodologia baseada no método de mínimos quadrados. Processo semelhante é empregado para a caracterização das formas modais. O resultado é uma viga equivalente para a qual são dados um deslocamento vertical e um ângulo de torção ao longo da envergadura. Fica, assim, assegurada a correlação entre pontos de controle aerodinâmicos e estruturais. Através de formulação Lagrangeana, são obtidas as equações diferenciais do movimento, apoiadas sob as hipóteses de desacoplamento inercial e pequenas perturbações. Tais equações podem ser utilizadas para obtenção de condições de voo de equilíbrio, estudo da estabilidade e resposta em frequência ou mesmo integradas ao longo do tempo, como ilustrado através de uma série de exemplos aplicados à aeronave estudada. Especial atenção é dada à identificação de contribuições dos efeitos de flexibilidade e de aerodinâmica não-estacionária. Destacam-se as simulações de resposta a perturbações do tipo doublet aplicadas às superfícies de comando. O impacto da variação na quantidade de modos elásticos e termos de atraso aerodinâmico utilizados é também abordado.

O objetivo deste trabalho é o estudo da correlação primária entre as disciplinas de projeto, análise e otimização estrutural e estabilidade aeroelástica. Isto é traduzido através de um modelo numérico de otimização de peso de uma semi-asa projetada para a fase de estudos preliminares de uma aeronave de característica civil, classificada e normatizada pelo FAA baseado no FAR Part23. De posse de um modelo aeroelástico em elementos finitos de representação por vigas pretendeu-se identificar os principais mecanismos de instabilidade aeroelástica, classificando-os por severidade. Baseando-se em estudos paramétricos foram então gerados requisitos de rigidez, para que a asa atendesse aos requisitos de estabilidade. Esta mesma asa foi otimizada através do método do gradiente visando a minimização da massa através de alterações das características estruturais de construção, como espessuras de longarinas e revestimentos, preservando-se a posição do caixão estrutural e as características aerodinâmicas externas. Para tanto, foi utilizado um modelo completo em elementos finitos equivalente ao modelo aeroelástico de vigas, mas limitado pelas restrições de tensão para atender aos critérios de resistência estática e de rigidez para atender aos critérios de aeroelasticidade. Ao final o modelo aeroelástico foi atualizado com os resultados de otimização e a análise de flutter foi novamente realizada, para verificar o atendimento dos requisitos. Os cálculos estáticos, dinâmicos, aeroelásticos e de otimização foram realizados utilizando o software MSC. NASTRAN versão 2007r1. Os resultados de estabilidade aeroelástica são plotados em diagramas V-g-f utilizando ferramentas adequadas de pós-processamento.

Há diversas metodologias empregadas para a determinação das cargas de rajadas usadas em dimensionamentos estruturais da aeronave, e que incluem métodos determinísticos e métodos estocásticos. As cargas de resposta à turbulência continua são, hoje, obtidas pelo método estocástico (Random Process Theory - RPT) em conformidade com o estabelecido nos requisitos aeronáuticos em vigor (FAR). Este trabalho visa implementar uma alternativa ao RPT na determinação das cargas de turbulência contínua, baseada na teoria dos filtros correlacionados (Matched Filter Theory - MFT). Historicamente, o MFT foi originalmente utilizado na obtenção mde sinais maximizados de radares. Pototzky (POTOTZKY, 1997) demostrou que o MFT é aplicável também para a solução de problemas dinâmicos e aeroelásticos genéricos, especificamente para cálculos de cargas correlacionadas de rajadas. Será demonstrado aqui que as cargas correlacionadas geradas pelo MFT são fortemente similares às geradas pelo RPT. É apresentado neste documento uma descrição detalhada da metodologia de cálculo de cargas baseada em RPT e em MFT, e os resultados numéricos obtidos.

O whirl flutter, em se tratando de uma instabilidade que pode ocorrer durante o vôo de uma aeronave e levar a uma condição de falha estrutural, deve ser devidamente estudado durante o projeto de uma aeronave moderna de modo a manter manter um nível de segurança adequada, mesmo porque o processo de homologação final inclui requesitos sobre a ocorrência do fenômeno. Assim, para uma empresa aeronáutica é essencial que exista um programa numérico acessível que permita este tipo de análise para o caso de configurações as mais gerais possíveis. Este estudo visou exatamente a implementação de um programa assim, tendo sido utilizado um modelo em que o motor é considerado um corpo rígido apoiado elasticamente em uma estrutura de suporte, a qual não necessariamente é rígida. A extensão para mais de um corpo é imediata, considerando-se, então, que os corpos estão ligados elasticamente entre si. Todos os seis graus de liberdade dos centros de gravidade de cada corpo são mantidos. Com relação aos esforços aerodinâmicos, são utilizados resultados convencionais para hélices de pás rígidas, mas procurou-se mostrar um caminho através do qual fosse possível a utilização de uma teoria de superfície de sustentação para o cálculo aerodinâmico. Finalizando, foram feitas comparações com resultados anteriores, além de se procurar verificar as diferenças de comportamento das fronteiras de estabilidade entre os modelos com graus de complexidade distintos, especialmente entre modelos de dois e seis graus de liberdade.

O presente trabalho tem como objetivo analisar a resposta aeroelastica do rotor principal do helicóptero experimental de dois lugares Alpha One, em desenvolvimento pela Brascopter e que e equipado com um rotor do tipo bearingless. A analise foi realizada considerando o regime de voo pairado e que o rotor esta sujeito a uma perturbação, como por exemplo, uma rajada. Para tal, foi utilizado o software de elementos finitos para modelagem de sistemas multicorpos não-lineares DYMORE. O software permite a modelagem de sistemas complexos utilizando elementos deformaveis e rigidos. Apenas a flexbeam e a pá foram modeladas com elementos de viga (deformavel), os demais componentes do sistema do rotor, inclusive o sistema de comando, foram modelados com elementos rígidos e juntas cinemáticas. Para os elementos deformáveis e necessário o fornecimento da matriz com as constantes elásticas da seção transversal para o DYMORE. Para isso, um código em MatlabOR foi escrito para gerar a malha de elementos finitos da seção transversal, cujo único elemento estrutural considerado foi a longarina da pá. As constantes elásticas da seção foram calculadas através do software VABS. Duas configurações de seção foram consideradas, seção com célula simples e seção com célula dupla. Diferentes laminados foram analisados para cada configuração de seção. O MatlabOR também foi utilizado como ferramenta de integração, realizando a interface com o DYMORE e o VABS, além de ter sido utilizado para a realização do pós processamento dos dados dos sensores distribuídos ao longo dos componentes flexíveis e para a realização da analise de estabilidade aeroelastica, em que o método da exponencial complexa foi empregado. Os resultados mostraram que a configuração de seção com célula dupla não e capaz de produzir acoplamento pitch-flap suficiente para influenciar na resposta do rotor.

Este trabalho apresenta uma formulação matemática para a modelagem de aeronaves de grande flexibilidade. Uma ferramenta computacional foi implementada e utilizada para analisar como a flexibilidade afeta as características de dinâmica de voo. Um modelo de viga não linear, ou seja considerando grandes deslocamentos, foi aplicado para a dinâmica de estruturas. Para os cálculos aerodinâmicos, utilizou-se a teoria das faixas incluindo três modelos bi-dimensionais: quase estacionário, quase estacionário com massa aparente e não estacionário.Uma asa voadora de grande alongamento foi considerada como caso de estudo. Uma investigação de sensibilidade foi desempenhada para verificar como os modelos aerodinâmicos empregados e a discretização da dinâmica estrutural afetam os resultados da ferramenta computacional. As equações elásticas do movimento foram linearizadas, permitindo estudo de estabilidade aeroelástica. Os resultados obtidos baseados no modelo de aeronave proposto mostraram que a instabilidade aeroelástica é fortemente afetada pelos graus de liberdade de corpo rígido, bem como pelas grandes deflexões estruturais da asa em equilíbrio.