Análise de estruturas multimodulares de parede fina para aeronáutica

Abstract

O objectivo desta tese é o estudo aerodinâmico e o cálculo estrutural de uma asa de aeronave ligeira, em voo de cruzeiro. Para tal, escolheu-se como modelo um dos aviões da Redbull Air Race, por se ter informações sobre a altitude média de voo e a velocidade máxima permitida. Nesta competição existem dois tipos de aviões, o Zivko Edge 540 e o MXS-R. Optou-se pela aeronave mais usada nesta competição, o Zivko Edge 540. A primeira fase consistiu na caracterização do perfil optimizado da asa com recurso ao software PROFILI 2.27c. Este software, através de variáveis impostas inicialmente (corda do perfil, altitude e velocidade) fornece uma tabela e vários gráficos sobre os coeficiente de sustentação, arrasto e momento no centro aerodinâmico de cada perfil e as dimensões mais relevantes para o seu desenho, dando ainda a possibilidade de combinar perfis. Após se ter encontrado o melhor perfil da ponta e da raiz, combinou- -se estes por forma a discretizar a asa em pequenos elementos para se obter os perfis ao longo desta. Tendo obtido os perfis ao longo da asa é agora possível calcular as forças de sustentação, arrasto e o momento sobre cada elemento em que a asa foi discretizada. Continuou-se o estudo aerodinâmico e obteve-se a sustentação real da asa e a velocidade mínima para a aeronave permanecer em voo recto e nivelado. A etapa seguinte foi a de projectar a estrutura interna da asa de forma a se conseguir a melhor relação rigidez/massa, afastando-se no entanto o 1º modo de vibração da frequência de excitação do motor. Este procedimento deve ser seguido mesmo tendo em conta que a fuselagem pode atenuar a transmissibilidade de amplitude do motor até à asa, tendo assim menor impacto na vibração da asa. Além destas acções dinâmicas, a asa deve suportar também as pressões e momentos gerados em voo e uma força equivalente a 10G, ou seja, dez vezes o peso da aeronave com piloto e combustível.

The objective of this thesis is the aerodynamic study and the structure’s calculation of a light aircraft’s wing at cruise speed. In order to accomplish this objective we have chosen one of Redbul Air Race aircraft model because the information about the average flying altitude and maximum speed allowed is available. In this competition there are two types of aircrafts, the Zivko Edge 540 and The MXS-R. We have chosen the most used aircraft in this competition, the Zivko Edge 540. The first stage of our study was the characterization of the wing’s optimized profile with the help of PROFILI 2.27c software. This software, through previously defined variables (stringer, altitude and speed) provides a chart and several graphics referring to the sustainability coefficient, grab force and momentum in the aerodynamic centre of each profile and the most relevant dimensions for its drawing, thus giving us the chance to combine profiles. After having found the best profile from root to tip, we combined them to analyze the wing in small elements in order to get the profiles across the wing. Having done this, it’s now possible to calculate the sustainability forces, grab and momentum of each of the elements that we had decomposed the wing in. We continued the aerodynamic study and we got the real sustainability of the wing, as well as the minimum speed required for the aircraft to keep itself in a straight and leveled flight. The following stage was to design the internal structure of the wing in order to achieve the best correlation rigidity/mass, excluding however the first frequency vibration mode of the engine operating excitation. This procedure should be followed even when considering that the fuselage may soften the transmission of the engine’s amplitude to the wing, thus having less impact on the wing’s vibration. Besides these dynamic actions, the wing has to endure the pressure and momentums generated during the flight and a force equivalent to 10G, i.e., ten times the weight of the aircraft with its pilot and fuel.