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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2018.tde-22052024-174343
Documento
Autor
Nome completo
Douglas Ramalho Queiroz Pacheco
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Marques, Flavio Donizeti (Presidente)
Ferreira, António Joaquim Mendes
Guimarães, Thiago Augusto Machado
Título em inglês
Nonlinear finite element aeroelastic modelling of reinforced skin panels in supersonic flows
Palavras-chave em inglês
aerospace structures
finite element modelling
nonlinear aeroelasticity
nonlínear Tímoshenko beam
panei flutter
reinforced plates
Resumo em inglês
Panel flutter is an aeroelastic phenomenon that can cause critical structural failure in aerospace vehicles operating at supersonic speeds. A reliable modelling of such phenomenon is crucial for safely predicting the lifespan of aircraft skin, thus being of great importance to aerospace structural design. The vast majority of works published on this subject treat each skin panel as an isolated structure. In reality, however, aircraft skin is typically composed of large panels mounted over spars, stringers and other types of reinforcement elements. The presence of such stiffening components ends up subdividing the panel into multiple smaller cells that can interact during flutter, thereby making the aeroelastic motion potentially more complex and dangerous. Moreover, stiffeners are also deformable structures, which therefore take part in the dynamics of the problem. In this context, the present work deals with the study and implementation of a computational finite element model for the analysis of nonlinear flutter in stiffened panels. A combination of the Mindlin plate model and the Timoshenko beam model, both with geometric non-linearities, is employed. The model and the analyses tackle both isotropic and laminated panels. The aerodynamic forces are computed through first-order piston theory, which provides good results for high-supersonic flows. The energy equations are discretised via the Finite Element Method, and the resulting aeroelastic equations of motion are solved in the time domain through an iterative Newmark-type integration scheme. The final code is verified and validated through comparison with numerical solutions from the literature. As far as results and analyses are concerned, the present work focuses on three main aspects, thereby aiming to fill an existing gap in panel flutter literature: a) lnvestigating how stiffeners behave during flutter, from a dynamic perspective, and how their vibration affects the overall aeroelastic motion; b) Studying the infiuence of stiffener geometry on such effects; and c) Assessing the inaccuracies of the single-panel model by systematically comparing its results with those from the present multi-cell model. Results reveal novel aeroelastic phenomena arising from the modelling of stiffeners as flexible structural elements. Furthermore, the popular assumption of ideal fixation is proven to be potentially unconservative regarding the onset of flutter and the intensity of vibrations
Título em português
Modelagem aeroelástica não linear, pelo método dos elementos finitos, de painéis reforçados em escoamentos supersônicos
Palavras-chave em português
aeroelasticidade não linear
estruturas aeroespaciais
flutter de painel
método dos elementos finitos
placa reforçada
viga de Timoshenko não linear
Resumo em português
O flutter de painel é um fenômeno aeroelástico que pode lavar a falhas veículos aeroespaciais operando em velocidades supersônicas. Uma modelagem confiável do fenômeno é crucial para prever de maneira segura a vida útil de revestimentos aeronáuticos, sendo, portanto, de grande importância para o projeto de estruturas aeroespaciais. A maioria dos trabalhos publicados sobre este tema trata cada painel como uma estrutura isolada. Na realidade, entretanto, revestimentos aeronáuticos são tipicamente compostos por grandes painéis montados sobre longarinas, stringers e outros elementos de reforço. A presença destes elementos acaba subdividindo o painel em múltiplas células menores capazes de interagir durante o flutter - tornando, com isso, o movimento aeroelástico potencialmente mais complexo e perigoso. Ademais, reforçadores também são estruturas deformáveis, que, portanto, participam da dinâmica do problema. Neste contexto, o presente trabalho trata do estudo e implementação de um modelo computacional em elementos finitos para análise de flutter em painéis reforçados. Emprega-se uma combinação do modelo de placa de Mindlin com o modelo de viga de Timoshenko, incluindo não-linearidade geométrica. O modelo e as análises abordam tanto painéis isotrópicos quanto laminados. A aerodinâmica é simulada pela teoria de pistão, adequada para escoamentos alto-supersônicos. As equações de energia são discretizadas pelo Método dos Elementos Finitos, resultando em equações de movimento que são resolvidas no domínio do tempo por meio de um método de Newmark iterativo. O código final é verificado via comparação com soluções numéricas encontradas na literatura. Em termos de análises, este trabalho foca em três aspectos, com o objetivo de preencher uma lacuna da literatura específica: a) Investigar como reforçadores comportam-se durante o flutter, do ponto de vista dinâmico, e como sua vibração afeta o movimento aeroelástico como um todo; b) Estudar a influência da geometria dos reforçadores sobre tais efeitos; e c) Avaliar as imprecisões do modelo de painel isolado por meio de uma comparação sistemática entre os resultados deste modelo e aqueles gerados pela presente abordagem multi-célula. Resultados revelam novos fenômenos aeoelásticos oriundos da modelagem dos reforçadores como elementos estruturais flexíveis. Ademais, demonstra-se que a popular hipótese de fixação ideal pode ser altamente não conservadora no que diz respeito à condição crítica de flutter e à intensidade das vibrações
 
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Data de Publicação
2024-05-22
 
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