Aeroelasticidad no-­lineal de vehículos aéreos no-tripulados con una configuración no­-convencional de alas unidas

Abstract

En este trabajo de tesis se estudia mediante simulaciones numéricas el comportamiento aeroelástico dinámico, inestacionario, y no-lineal de aviones no-tripulados, con gran envergadura y con una configuración no convencional de alas unidas. Los vehículos aéreos no-tripulados o Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) se usan para vigilancia, reconocimiento y telecomunicaciones. Algunos conceptos noveles de UAVs han sido concebidos como una alternativa a los actuales satélites de comunicaciones. Estos vehículos se caracterizan por ser muy livianos y por tener alas altamente flexibles y de gran envergadura. Para diseñarlos correctamente es necesario tener un cabal entendimiento de su comportamiento aeroelástico, y ese entendimiento puede lograrse realizando simulaciones numéricas con herramientas computacionales que incorporan modelos estructurales y aerodinámicos de alta fidelidad. Para realizar las simulaciones, en esta tesis, se desarrolló una herramienta computacional robusta y fácil de configurar que combina dos subsistemas dinámicos, desarrollados independientemente, que interactúan entre sí hasta obtener la convergencia numérica. Uno de los sistemas dinámicos, denominado el modelo aerodinámico (basado en el método de red de vórtices inestacionario y no-lineal), se utiliza para obtener el flujo de aire alrededor de la aeronave. El otro, denominado el modelo estructural (basado en el método de los elementos finitos), describe la evolución temporal del estado y la aceleración de las alas delanteras y traseras de la aeronave. Para poder capturar los aspectos físicos provenientes de la interacción fluido-estructura, el sistema dinámico acoplado es simulado mediante el computo separado de i) la deformación, la velocidad y la aceleración de las alas, y ii) del campo de presiones y velocidad del flujo de aire, para luego ser combinados mediante una técnica de acoplamiento fuerte: se transfieren fuerzas desde el modelo aerodinámico hacia el modelo estructural, y se transfieren desplazamientos, velocidades, y aceleraciones desde el modelo estructural hacia el aerodinámico. Para transferir la información entre los dos sub-sistemas se emplea un procedimiento de interpolación y una técnica basada en el principio de los trabajos virtuales. Todas las ecuaciones gobernantes son integradas simultánea e interactivamente en el dominio del tiempo mediante un algoritmo predictor-corrector de cuarto orden. Para validar la técnica propuesta se empleó un caso testigo de la teoría clásica de aeroelasticidad. Además, en esta tesis se muestra cómo detectar, mediante resultados de simulaciones numéricas, la condición de operación crítica para la cual se produce una inestabilidad aeroelástica dinámica asociada a una configuración particular de aeronave con alas unidas. Los resultados obtenidos constituyen una etapa inicial para el desarrollo de un modelo aeroservoelástico; futuras implementaciones computacionales de ese modelo, permitirán realizar simulaciones numéricas y estudiar el comportamiento aeroservoelástico de UAVs de alas unidas y con gran envergadura.