4ºfórum sae aerodesign 2009 cargas e estruturas · stress). mas utilizamos este ... niu , michael...
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44ºº FFóórum SAE rum SAE AerodesignAerodesign 20092009
Cargas e EstruturasCargas e Estruturas
Feito por: Fabiano / MassuiaFeito por: Fabiano / Massuia
ÍÍndicendice�� Cargas:Cargas:
�� O que O que éé ......
�� ImportânciaImportância
�� InterfacesInterfaces
�� FluxogramaFluxograma
�� CondiCondiçções de Vôoões de Vôo
�� Cargas nos ComponentesCargas nos Componentes
�� Cargas no Trem de PousoCargas no Trem de Pouso
�� EnsaiosEnsaios
�� Estruturas:Estruturas:
�� DefiniDefiniçções Bões Báásicassicas
�� Cargas Limite, Cargas Limite, UltimateUltimate e MSe MS
�� DistribuiDistribuiçção de carga nos componentesão de carga nos componentes
�� FEM FEM –– MMéétodo de Elementos Finitostodo de Elementos Finitos
�� AnAnáálise Composto lise Composto vsvs. Met. Metáálicolico
�� Ensaios EstruturaisEnsaios Estruturais
�� Referencias BibliogrReferencias Bibliográáficasficas
CargasCargas
O que O que éé ......
�� DeterminaDeterminaçção das cargas atuantes em todos os componentes da aeronave, de mão das cargas atuantes em todos os componentes da aeronave, de modo a permitir o odo a permitir o
projeto e dimensionamento estrutural dos componentes, assim comoprojeto e dimensionamento estrutural dos componentes, assim como a sua especificaa sua especificaçção (sistemas).ão (sistemas).
O que O que éé ......
�� AnAnáálise da interalise da interaçção arão ar--estrutura (cargas aerodinâmicas estrutura (cargas aerodinâmicas –– vibravibraçção da estrutura), visando garantir a ão da estrutura), visando garantir a
estabilidade estabilidade aeroelaeroeláásticastica da aeronave.da aeronave.
�� FlutterFlutter
ImportânciaImportância
�� A anA anáálise de cargas e estabilidade lise de cargas e estabilidade aeroelaeroeláásticastica éé o primeiro passo no ciclo de projeto e ano primeiro passo no ciclo de projeto e anáálise lise
estrutural de uma aeronave.estrutural de uma aeronave.
�� As cargas definem a resistência necessAs cargas definem a resistência necessáária aos componentes estruturais da aeronave.ria aos componentes estruturais da aeronave.
�� A anA anáálise de estabilidade lise de estabilidade aeroelaeroeláásticastica define requisitos de rigidez e ou distribuidefine requisitos de rigidez e ou distribuiçção de massa da ão de massa da
aeronave.aeronave.
�� Ambas podem definir tambAmbas podem definir tambéém caracterm caracteríísticas dos sistemas da aeronave (arquitetura, confiabilidade, sticas dos sistemas da aeronave (arquitetura, confiabilidade,
redundâncias, insperedundâncias, inspeçções, etc...)ões, etc...)
InterfacesInterfaces
Cargas
Estruturas Aerodinâmica
Peso eCentragem
RequisitosOperacionais
FluxogramaFluxograma
DefiniDefiniçção do Requisito Aeronão do Requisito Aeronááuticoutico
ModelamentoModelamento da Aeronaveda Aeronave
AnAnáálise de Cargaslise de Cargas
CondiCondiçções de Vôoões de VôoDiagrama VDiagrama V--NN
Analise das CondiAnalise das CondiççõesõesVôo (Manobra e Rajada) e SoloVôo (Manobra e Rajada) e Solo
Carga nos ComponentesCarga nos ComponentesAsa, Fuselagem, Empenagens e TPAsa, Fuselagem, Empenagens e TP
EnsaiosEnsaiosVôo e EstruturaisVôo e Estruturais
CondiCondiçções de Vôoões de Vôo
�� Principais AtividadesPrincipais Atividades::
�� DefiniDefiniçção do envelope de vôo ão do envelope de vôo
da aeronave (velocidades de da aeronave (velocidades de
projeto e diagrama Vprojeto e diagrama V--n).n).
��AnAnáálise de todas as condilise de todas as condiçções ões
de vôo (manobras e vôo em de vôo (manobras e vôo em
turbulência), requeridas para turbulência), requeridas para
determinadeterminaçção das cargas em vôo.ão das cargas em vôo.
Cargas nos ComponentesCargas nos Componentes
�� Principais AtividadesPrincipais Atividades::
�� DeterminaDeterminaçção de cargas nos ão de cargas nos
diversos componentes da diversos componentes da
aeronave, para as condiaeronave, para as condiçções de ões de
vôo e solo nas quais os efeitos vôo e solo nas quais os efeitos
dinâmicos podem ser dinâmicos podem ser
desconsiderados.desconsiderados.
�� DeterminaDeterminaçção das condião das condiçções ões
extremas para os diversos extremas para os diversos
critcritéérios de anrios de anáálise estrutural lise estrutural
estestáática.tica.
-300000
-200000
-100000
0
100000
200000
300000
0 1 2 3 4 5 6 7 8
ZV - (m)
BM
(N
-m)
Loop D1
Preliminary Loop - RevB
Cargas no Trem de PousoCargas no Trem de Pouso
�� Principais AtividadesPrincipais Atividades::
�� Projeto e estudo de regulagens Projeto e estudo de regulagens
do trem de pouso.do trem de pouso.
�� AnAnáálise das condilise das condiçções de solo ões de solo
(pouso, t(pouso, tááxi e manobras no solo), xi e manobras no solo),
necessnecessáárias para determinarias para determinaçção de ão de
cargas na estrutura.cargas na estrutura.
EnsaiosEnsaios
�� Principais AtividadesPrincipais Atividades::
�� Ensaios em tEnsaios em túúnelnel
�� Cargas, Cargas, distrdistr. pressão . pressão
�� FlutterFlutter
�� Ensaios em vôoEnsaios em vôo
�� Cargas em vôoCargas em vôo
�� FlutterFlutter, , buffetingbuffeting
�� Ensaios no soloEnsaios no solo
�� Queda livre trens de pousoQueda livre trens de pouso
�� Ensaio de vibraEnsaio de vibraççãoão
EstruturasEstruturas
DefiniDefiniçções Bões Báásicassicas�� Asa Asa –– componentes estruturais bcomponentes estruturais báásicossicos
�� LongarinaLongarina: Principal componente da asa, para esta categoria, desde que ut: Principal componente da asa, para esta categoria, desde que utilize uma asa com ilize uma asa com
longarinalongarina; ;
�� Nervuras: Ajudam a dar forma para a asa, alNervuras: Ajudam a dar forma para a asa, aléém m éé claro de ajudar a estrutura.claro de ajudar a estrutura.
�� Revestimento: Pode ou não ser estrutural, depende muito da concRevestimento: Pode ou não ser estrutural, depende muito da concepepçção adotada da asa.ão adotada da asa.
�� ReforReforççadores: Muito pouco utilizados no adores: Muito pouco utilizados no AerodesignAerodesign. Ajudam a resistir a esfor. Ajudam a resistir a esforçços axiais.os axiais.
�� FuselagemFuselagem
�� ResponsResponsáável por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque devel por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque de combustcombustíível, etc.vel, etc.
�� Cauda Cauda –– TailTail BoomBoom
�� Elemento que liga a empenagem na fuselagem. ResponsElemento que liga a empenagem na fuselagem. Responsáável pela eficiência das superfvel pela eficiência das superfíícies de cies de
controle das empenagens.controle das empenagens.
Cargas Limite, Cargas Limite, UltimateUltimate e MSe MS�� Tensão Limite: Fim da região linear, quando o material exibe maTensão Limite: Fim da região linear, quando o material exibe mais do que 2% de deformais do que 2% de deformaçção ão
permanente.permanente.
�� Tensão Tensão UltimateUltimate: quando a material falha, não necessariamente igual a 1.5 * ten: quando a material falha, não necessariamente igual a 1.5 * tensão limite (são limite (yieldyield
stress). Mas utilizamos este mstress). Mas utilizamos este méétodo.todo.
�� Existem Existem ““allowablesallowables”” de materiais (trade materiais (traçção, compressão, cisalhamento) e ão, compressão, cisalhamento) e ““allowablesallowables”” de propriedades de propriedades
geomgeoméétricas locais (tricas locais (cripplingcrippling, , bucklingbuckling, etc)., etc).
�� MS = Tensão Aplicada / MS = Tensão Aplicada / AllowableAllowable –– 1 1 →→ MS deve ser maior que zero. Todos os valores menores MS deve ser maior que zero. Todos os valores menores
que 0.5 devem ser analisados cuidadosamente para valores corretoque 0.5 devem ser analisados cuidadosamente para valores corretos de carga e allowables. s de carga e allowables.
�� Para cada MS, indicar o tipo de falha previsto! Cada MS deve esPara cada MS, indicar o tipo de falha previsto! Cada MS deve estar associada a um modo de falha!tar associada a um modo de falha!
DistribuiDistribuiçção de carga nos componentesão de carga nos componentes�� Asa / Fuselagem / EmpenagemAsa / Fuselagem / Empenagem
�� Momento Momento FletorFletor / Momento / Momento TorTorççoror / For/ Forçça a
Cortante Cortante →→ Estes devem ser aplicados em cada Estes devem ser aplicados em cada
estaestaçção da Asa / Fuselagem / Empenagem.ão da Asa / Fuselagem / Empenagem.
�� Caminho de carga Caminho de carga →→ Por onde a carga vai, qual Por onde a carga vai, qual
componente da asa, fuselagem ou empenagem ircomponente da asa, fuselagem ou empenagem iráá
receber a maior parcela do carregamento.receber a maior parcela do carregamento.
�� Efeitos Dinâmicos Efeitos Dinâmicos →→ FlutterFlutter na empenagem.na empenagem.
�� Trem de pousoTrem de pouso
�� Cargas de pouso / solo Cargas de pouso / solo →→ Componentes Componentes
horizontais e verticais devem ser aplicadas nos horizontais e verticais devem ser aplicadas nos
pontos corretos. Efeitos secundpontos corretos. Efeitos secundáários presentes.rios presentes.
Momento Fletor na Asa, Exemplo
-200000
-150000
-100000
-50000
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Estação
Mo
men
to F
leto
r
Cortante na Asa, Exemplo
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Estações da Asa
Co
rta
nte
Momento Torçor na Asa, Exemplo
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
20000
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Estação
Mo
men
to T
orç
or
FEM FEM –– MMéétodo de Elementos Finitostodo de Elementos Finitos�� Conceitos GeraisConceitos Gerais
�� FEMFEM separa a estrutura em diversos elementos da mesma estrutura;separa a estrutura em diversos elementos da mesma estrutura;
�� Os nOs nóós de cada elemento são reconectados como se ns de cada elemento são reconectados como se nóós fossem prendedores que mantêm os s fossem prendedores que mantêm os
elementos unidos;elementos unidos;
�� Os resultados são um conjunto de equaOs resultados são um conjunto de equaçções algões algéébricas simultâneas.bricas simultâneas.
�� Graus de Liberdade (DOF)Graus de Liberdade (DOF)
�� Continuum: infinitos DOF;Continuum: infinitos DOF;
�� FEMFEM: finitos DOF.: finitos DOF.
�� AplicaAplicaçções do FEMões do FEM
�� Entender como vEntender como váários elementos se comportam com formatos e carregamentos arbitrrios elementos se comportam com formatos e carregamentos arbitráários, rios,
condicondiçções de contorno;ões de contorno;
�� Possibilita a aplicaPossibilita a aplicaçção de restrião de restriçções complexas, as quais permitem que estruturas complexas ões complexas, as quais permitem que estruturas complexas
sejam resolvidas.sejam resolvidas.
�� Desvantagens do FEMDesvantagens do FEM
�� FEMFEM obtobtéém apenas solum apenas soluçções aproximadas;ões aproximadas;
�� Muitos dados de entrada são necessMuitos dados de entrada são necessáários.rios.
AnAnáálise Composto lise Composto vsvs. Met. Metáálicolico�� Material Composto: Material Composto:
�� Observar os Observar os ííndices de falha em cisalhamento laminar ou entre lâminas, relatindices de falha em cisalhamento laminar ou entre lâminas, relativos ao menor vos ao menor
allowableallowable utilizado. utilizado.
�� Observar os maiores valores de deformaObservar os maiores valores de deformaçção ou tensão (ão ou tensão (LimitLimit Stress/StrainStress/Strain) e comparar com os ) e comparar com os
allowables referentes allowables referentes ààs dires direçções 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo.ões 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo.
�� Material MetMaterial Metáálico:lico:
�� Observar tensões de escoamento (Observar tensões de escoamento (yieldyield) e ruptura () e ruptura (ultimateultimate); esmagamento (); esmagamento (bearingbearing); );
compressão (compressão (compressioncompression).).
Ensaios EstruturaisEnsaios Estruturais�� Levantar admissLevantar admissíível dos materiais;vel dos materiais;
�� Comportamento dos elementos estruturais;Comportamento dos elementos estruturais;
�� Verificar detalhes de projetos;Verificar detalhes de projetos;
�� Validar as anValidar as anáálises feitas e o componente.lises feitas e o componente.
Ensaios EstruturaisEnsaios Estruturais
Referencias BibliogrReferencias Bibliográáficasficas
�� Cargas:Cargas:
�� Resenha de CResenha de Cáálculo de Peso e lculo de Peso e CentragemCentragem, Cargas e Estruturas Aeronave Acrob, Cargas e Estruturas Aeronave Acrobáática Leve tica Leve ––
Mario Mario LottLott (1989)(1989)
�� Apostila Curso TApostila Curso Tóópicos especiais em Cargas e picos especiais em Cargas e AeroelasticidadeAeroelasticidade (programa PEE (programa PEE –– EMBRAER) EMBRAER)
(34Mb) <(34Mb) <http://www.demec.ufmg.br/Cea/Bibliografia/cargasnasaeronaveshttp://www.demec.ufmg.br/Cea/Bibliografia/cargasnasaeronaves..pdfpdf>>
�� T. T. LomaxLomax, , StructuralStructural loadsloads analysisanalysis for for commercialcommercial transporttransport aircraftaircraft: : TheoryTheory andand practicepractice..
�� RaymerRaymer D. P (1982) D. P (1982) AircraftAircraft design a Conceptual Approach. AIAA Educacional series design a Conceptual Approach. AIAA Educacional series
�� AircraftAircraft StructuralStructural LoadsLoads: : RequirementsRequirements, , AnalysisAnalysis, , TestingTesting, , andand CertificationCertification
<<http://www.continuinged.ku.edu/aero/coursehttp://www.continuinged.ku.edu/aero/course..phpphp??aid=6aid=6>>
�� Estruturas:Estruturas:
�� NIUNIU, Michael , Michael ChunChun--YungYung::
�� AirframeAirframe StructuralStructural Design;Design;
�� AirframeAirframe Stress Stress AnalysisAnalysis andand SizingSizing;;
�� CompositeComposite AirframeAirframe StructuresStructures;;
�� BRUHNBRUHN, E. F., , E. F., AnalysisAnalysis andand Design of Design of FlightFlight VehicleVehicle StructuresStructures..
�� JONES, Robert M., JONES, Robert M., MechanicsMechanics of of CompositeComposite MaterialsMaterials
�� Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMetallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS) MPDS) –– Materiais MetMateriais Metáálicoslicos
�� MilMil--HDBKHDBK 17 17 –– Materiais CompMateriais Compóósitossitos
�� Geral:Geral:
�� FARFAR PartPart 23, 2523, 25