Um estudo sobre otimização aeroelástica usando compósitos laminados de rigidez variável na maximização da velocidade de flutter

Abstract

Este trabalho estuda como o uso de compósitos laminados de rigidez variável no projeto de estruturas aeronáuticas pode aumentar a perfonnance aeroelástica destas estruturas. O fenômeno aeroelástico de interesse neste trabalho é o flutter, instabilidade aeroelástica ocasionada pelo acoplamento entre forças aerodinâmicas e um ou mais modos vibracionais da estrutura. Este fenômeno apresenta caracterlsticas potencialmente destrutivas, e, portanto, deve-se assegurar que sua ocorrência ocorra fora do envelope de voo da aeronave. Para isto, estratégias de otimização utilizando programação linear e algoritmo genético são usadas para maximizar a velocidade de ocorrência de flutter, usando como variáveis de projeto as orientações das fibras do material, que podem variar ao longo da asa. Neste trabalho são estudados os caso de orientação constante das fibras e de orientação variável lineannente. Uma placa plana de grafite-epóxi é usada neste trabalho como modelo simplificado representando uma asa de um veículo aéreo não tripulado (VANT). O método dos elementos finitos é utilizado para discretizar a estrutura com elementos de casca, permitindo obter as matrizes de rigidez e massa. A resposta modal da estrutura é dada pela resolução do problema de autovalores e autovetores da equação de movimento hannônico livre. Os cálculos de aerodinâmica não-estacionária são realizados através do método de paineis com o software comercial ZAERO. Resultados para compósitos tradicionais, com fibras unidirecionais, e de rigidez variável linearmente são apresentados, para laminados constituídos por 1 e 2 lâminas. Para os casos estudados, o uso de compósitos de rigidez variável apresenta um aumento na velocidade de inicio de flutter de, aproximadamente, 2% comparado aos compósitos tradicionais.

This work studies how the use of variable stiffness composite laminates in the design of aeronautical structures can enhance the aeroelastic perfonnance of these structures. The aeroelastic phenomenon of interest in this work is flutter, an aeroelastic instability caused by the coupling of aerodynamical forces and one or more vibrational modes of the structure. This phenomemon presents potentially destructive characteristics and, thus, it must be assured that its occurrence is outside the flight envelope of the airplane. Optimization strategies using linear programming and genetic algorithm are employed to maximize the flutter occurrence speed, using as design variables the fiber orientations of the material, which may vary along the wing. In this work, both constant orientation and linearly varying orientations are studied. A flat plate made of graphite-epoxy is used in this work as a simplified model of a drone's wing. The finite element method performs the discretization of the structure using shell elements, assembling the mass and stiffness matrices. The structure's modal response is given through the free hannonic motion equation eigenproblem. The unsteady aerodynamics calculations are perfonned by the commercial software ZAERO. Results for traditional composite, with unidirectional fibers, and variable sitffness composite are presented, for laminates of 1 and 2 plies. The use of variable stiffness composites presents an increase in flutter onset speed of, approximately 2% when compared to unidrectional composites.