Una herramiento de co-simulación para el estudio de inestabilidades aeroelásticas no lineales en aeronaves con alas unidas

Abstract

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.