The resurgence of airships has created a need for dynamics models and simulation capabilities of these lighter-than-air vehicles. The focus of this thesis is a theoretical framework that integrates the flight dynamics, structural dynamics, aerostatics and aerodynamics of flexible airships. The study begins with a dynamics model based on a rigid-body assumption. A comprehensive computation of aerodynamic effects is presented, where the aerodynamic forces and moments are categorized into various terms based on different physical effects. A series of prediction approaches for different aerodynamic effects are unified and applied to airships. The numerical results of aerodynamic derivatives and the simulated responses to control surface deflection inputs are verified by comparing to existing wind-tunnel and flight test data. With the validated aerodynamics and rigid-body modeling, the equations of motion of an elastic airship are derived by the Lagrangian formulation. The airship is modeled as a free-free Euler-Bernoulli beam and the bending deformations are represented by shape functions chosen as the free-free normal modes. In order to capture the coupling between the aerodynamic forces and the structural elasticity, local velocity on the deformed vehicle is used in the computation of aerodynamic forces. Finally, with the inertial, gravity, aerostatic and control forces incorporated, the dynamics model of a flexible airship is represented by a single set of nonlinear ordinary differential equations. The proposed model is implemented as a dynamics simulation program to analyze the dynamics characteristics of the Skyship-500 airship. Simulation results are presented to demonstrate the influence of structural deformation on the aerodynamic forces and the dynamics behavior of the airship. The nonlinear equations of motion are linearized numerically for the purpose of frequency domain analysis and for aeroelastic stability analysis. The results from the latter for / L'intérêt renouvelé envers les dirigeables a créé un besoin de modèles dynamique et de simulations de ces véhicules plus légers que l'air. Cette thèse traite d'un cadre théorique qui intègre la dynamique de vol, la dynamique structurale, l'aérostatique et l'aérodynamique des dirigeables flexibles. La recherche débute par une étude d'un modèle dynamique fondé sur l'hypothèse d'un corps rigide. Une approche de calcul d'aérodynamique complète est présentée, où les forces et les moments aérodynamiques sont classés par catégories basées sur différents effets physiques. Une série d'approches de prédiction des différents effets aérodynamiques est unifiée et appliqué aux dirigeables. Les résultats numériques des dérivés aérodynamiques et des réponses simulées à des commandes spécifiés sont comparés à des résultats d'essais provenant d'autre œuvres. Une fois l'aérodynamique et le modèle de corps rigide validés, les équations de mouvement d'un dirigeable élastique sont dérivées avec une formulation Lagrangienne. Le dirigeable est modélisé comme poutre Euler-Bernoulli et les déformations sont représentées par des fonctions de forme choisies. Afin de prendre en considération la dépendance entre les forces aérodynamiques et l'élasticité structurale, la vitesse locale sur le véhicule déformé est employée dans le calcul des forces aérodynamiques. En conclusion, avec les forces d'inertie, de gravité, d'aérodynamique et de commande incorporées, le modèle dynamique d'un dirigeable flexible est exprimé sous la forme d'un ensemble d'équations différentielles ordinaires non-linéaires. Le modèle proposé est mis en pratique sous forme de simulation dynamique afin d'analyser les caractéristiques dynamiques du dirigeable Skyship-500. Des résultats de simulation sont présentés pour démontrer l'influence de la déformation structurale sur les forces aérodynamiques et le comportement dynamique du di
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.18756 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Li, Yuwen |
| Contributors | Inna Sharf (Supervisor2), Meyer Nahon (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
Page generated in 0.0021 seconds