Metodologia de escolha da orientação de compósitos laminados para maximizar a velocidade de flutter em uma asa

Abstract

Na tentativa de se projetar asas mais eficientes objetivando a redução do consumo de combustível, o emprego de materiais compósitos aliado de altas razões de aspecto resultam em configurações bastante flexíveis. Estas asas flexíveis são comumente sujeitas a instabilidades aeroelásticas como o flutter, fenômeno de interesse neste trabalho. Flutter é caracterizado como uma ressonância aeroelástica causada pelo acoplamento entre modos de vibração da estrutura com o carregamento aerodinâmico. Para mitigar efeitos aeroelásticos indesejáveis, técnicas de otimização aeroelástica utilizam o controle da rigidez direcional, proporcionada pelo uso de materiais compósitos. Neste trabalho, portanto, apresenta-se o fenômeno de ressonância aeroelástica, bem como as equações que o governam, para direcionar o projeto do laminado da estrutura de uma asa realística para uma aeronave remotamente pilotada, ARP, de maneira a reduzir o risco de ocorrência de flutter. Para isto, é implementado um algoritmo para otimizar a orientação de diferentes laminados, considerando orientações constantes ou linearmente variáveis ao longo da envergadura. A estratégia é baseada na maximização da velocidade de ocorrência de flutter na estrutura. Por fim, são apresentados resultados para uma asa com perfil NACA0009 e razão de aspecto AR=9, onde se empregou o material carbono-epóxi unidirecional. Com a metodologia aqui proposta, foi possível verificar os efeitos aeroelásticos resultantes da variação de parâmetros de orientação e obteve-se as melhores orientações de laminado para a asa estudada. No entanto, não foi possível uma melhora na estabilidade estrutural através da orientação variável do laminado e, com isso, se discute a relevância na utilização deste design frente a métodos convencionais.

In the attempt to design more efficient wings with the aim of reducing fuel consumption, the use of composite materials combined with high aspect ratio resulted in very flexible designs. These flexible wings are commonly subjected to aeroelastic instabilities such as flutter, a phenomenon of interest in this work. Flutter is defined as an aeroelastic resonance caused by the coupling between modes of vibration of the structure with the aerodynamic loading. To mitigate undesirable aeroelastic effects, aeroelastic tailoring techniques use the control of directional stiffness, provided by the use of composite materials. In this work, therefore, it's introduced the aeroelastic resonance phenomenon, as well as the equations that govern it, to direct the design of the laminate of a structure of a realistic wing of a remotely piloted aircraft, RPA, in order to reduce the risk of flutter occurrence. For this, an algorithm is implemented to optimize the orientation of different laminates, considering constant or linearly variable orientations along the span. The strategy is based on maximizing the flutter velocity in the structure. Finally, results are presented for a wing with profile NACA0009 and aspect ratio AR = 9, where the unidirectional carbon-epoxy material was used. With the presented methodology, it was possible to verify the aeroelastic effects resulting from the variation of orientation parameters and for the wing analyzed the optimal laminate orientations were obtained. However, it was not possible to improve structural stability through the variable orientation of the laminate and, therefore, the relevance of this design compared to conventional methods is discussed.