Una herramiento de co-simulación para el estudio de inestabilidades aeroelásticas no lineales en aeronaves con alas unidas
View/ Open
Date
2023-08-29Author
Pérez Segura, Martín Eduardo
Advisor
Preidikman, Sergio
Metadata
Show full item recordAbstract
En este trabajo se desarrolla una herramienta computacional bajo el paradigma de la cosimulación
destinada a resolver el problema multi-físico que se plantea al estudiar las inestabilidades
aeroelásticas (principalmente flutter y pandeo aerodinámico) en aeronaves con alas unidas. Una
aeronave con configuración de alas unidas se caracteriza por su diseño no convencional cuyo rasgo
principal es contar con al menos dos superficies sustentadoras principales: i) un ala delantera con flecha
y diedro positivos, y ii) un ala trasera con flecha y diedro negativos. El pandeo aerodinámico es un
fenómeno aeroelástico casi exclusivo de las aeronaves con alas unidas y se define como una
inestabilidad del equilibrio estructural que se alcanza producto de la combinación de cargas
aerodinámicas, cargas elásticas, cargas inerciales y la configuración deformada de la estructura. Cuando
el pandeo ocurre, la estructura pierde la capacidad de resistir los esfuerzos externos en la configuración
actual y se produce un cambio repentino a una nueva configuración que, en general para este tipo de
estructuras, implica el colapso. El flutter se define como una vibración auto-excitada e inestable en la
que la estructura extrae energía de la corriente de aire, a través del trabajo de las cargas aerodinámicas,
de modo que el movimiento resultante puede sostenerse en el tiempo en lo que habitualmente se
denominan oscilaciones de ciclo límite. Por encima de la velocidad crítica (a la que ocurre el flutter) las
oscilaciones se amplifican con resultados posiblemente catastróficos.
Desde el punto de vista multi-físico, se desarrollan un modelo estructural, un modelo
aerodinámico y un modelo de interacción, que permite combinar los dos anteriores. Para cada modelo,
a su vez, se desarrolla un componente de software encapsulado que se integra en un único sistema que
controla el intercambio de información. Basado en el método de los elementos finitos, el modelo
estructural se formula alrededor un elemento de viga con las hipótesis clásicas de la teoría de
Timoshenko que incorporan de forma consistente las no linealidades geométricas de Von Kármán para
construir un modelo enriquecido, que permite representar deformaciones moderadas. El modelo
aerodinámico tiene sus bases en el método de red de vórtices inestacionario y no lineal. Considera un
flujo a elevado número de Reynolds, lo que permite asumir un flujo no viscoso e incompresible
(barotrópico), donde se distribuyen singularidades (vórtices). El modelo de interacción es de tipo fuerte
ya que, si bien admite el uso de distintos intervalos temporales para el modelo estructural y el
aerodinámico, la comunicación entre ambos es bidireccional y fuerza la compatibilidad entre las
soluciones en todos los pasos. La integración de las ecuaciones gobernantes resultantes se realiza en
forma numérica, simultánea e interactiva en el dominio del tiempo mediante un esquema iterativo
basado en el método de Hamming modificado. Para determinar la aparición de inestabilidades
aeroelásticas se realizan simulaciones a partir de arranques impulsivos y se evalúa la respuesta.
Finalmente, se concluye que la herramienta implementada es capaz de analizar de forma eficiente
numerosos casos de estudio referidos a la interacción entre fluido y estructura en sistemas que incluyen
aeronaves con alas unidas.
Collections
The following license files are associated with this item: