CCÁÁLCULO PRELIMINAR DE LCULO PRELIMINAR DE CARGAS E CARGAS E ESTRUTURASESTRUTURAS

CARGASCARGAS

FREDERICO MOL

MARIO LOTT

RODRIGO VILA VERDE

AeroAero DesignDesign

A Competição:

• Projetar e construir uma aeronave em escala reduzida, pilotado remotamente.

• Missão: levantar o maior peso possível em carga, dentro de comprimentos delimitados de decolagem e pouso.

COMPETIÇÃO

PROJETO

VÔO

Itens da AvaliaItens da Avaliaçção de Projetoão de Projeto

• Relatório (texto em 30 páginas): 80 pontos.– Aerodinâmica: 15 pontos– Estruturas: 15 pontos– Desempenho: 15 pontos (inclui pontuação do gráfico!).– Estabilidade e controle: 15 pontos– Projeto: 20 pontos (inclui pontuação das plantas!)

• Planta (três vistas padrão):– Avaliada em Projeto!

• Gráfico - Carga Útil x Altitude– Avaliado em Desempenho!

• Apresentação Oral (15 minutos).– 20 pontos.

JuJuíízes zes -- Divisão por DisciplinasDivisão por Disciplinas

• Desempenho

• Cargas / Estruturas• Aerodinâmica

• Estabilidade/Controle• Projeto

O que são Cargas?O que são Cargas?

CARGASCARGAS

DimensionamentoEstrutural

DimensionamentoEstrutural

Projeto EstruturalProjeto Estrutural

Projeto deSistemas

Projeto deSistemas

PesoPeso

Aerodinâmica / Propulsão

Aerodinâmica / Propulsão

Peso

s e

C

.G.

Mas

sas

Inf. Aerodinâmicas

e Desempenho

Def. Estrutural

Def. Estrutural

-Determinação de forças, momentos e esforços a qual a aeronave é sujeita

-Define as diretrizes iniciais e se estendem até fase de detalhamento

-Atividade com interfaces multidisciplinar

Importância das CargasImportância das Cargas

Requisitos

de Missão

Eventos

Operacionais

Análise

de cargas

Informação

utilizável

Estruturas

Sistemas

Outros

Traduz os requisitos de missão e eventos operacionais em informações utilizáveis por outros setores. Existem normas que direcionam a análise de cargas (FAR, JAR Part-23, 25, RBHA)

Determina grande parte dos requisitos estruturais, de sistemas e de operação

Curso de CargasCurso de Cargas

Tipos de AnTipos de Anáálise de Cargaslise de Cargas

-Estáticas:

-Análise de cargas atuantes em uma aeronave considerando condição de

equilíbrio estático

-Não significa necessariamente vôo reto nivelado

-Dinâmicas

-Cargas variantes no tempo

-Análise de Fadiga

-Estudo das cargas e seu número de ocorrência

Diagrama de Peso e Diagrama de Peso e CentragemCentragem

• Determinação do centro de gravidade em relação a uma referência• Delimitação do envelope de passeio do CG• Fundamental para verificação de estabilidade e controle• Cumprimento de requisitos de desempenho• Dimensionamento estrutural

11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

18000

19000

20000

21000

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0

CG (% mac)

Mass (kg)

MZFW

MLW

MT OWFlight

MRW

Ground

Maximum Ramp Mass (MRW)

Maximum Take-Off Mass (MTOW)

Maximum Landing Mass (MLW)

Maximum Zero Fuel Mass (MZFW)

Maximum Mass Most Forward CG – flight

Maximum Mass Most Forward CG – ground

Minimum Mass Most Rearward CG

Minimum Mass Most Forward CG

Minimum Operating Mass

Diagrama HDiagrama H--VV

• Determina as condições de velocidade e altitude para as quais o avião será projetado

E R J 1 7 0 - L o o p H 1

D e s ig n S p e e d s - E A S v s . A ltitu d e

0

2 0 00

4 0 00

6 0 00

8 0 00

1 0 0 00

1 2 0 00

1 4 0 00

50 ,0 7 0 ,0 9 0 ,0 1 1 0 ,0 1 30 ,0 15 0 ,0 1 7 0 ,0 1 9 0 ,0 2 10 ,0

E q u iv a le n t A irs p e e d (m /s )

Alt

itu

de

(m

)

V a

V b

V c

V d

V f 1

V f 2

V f 3

V f 4 , 5

V f 6

M d = 0 .89 0M b = 0 .701

M a = M c = 0 .820

Vc

= 1

64

.6 C

AS

Vd

= 1

92

.9 C

AS

Vb

= 1

38

.9 C

AS

V a = 123 .5 E A S

Diagrama VDiagrama V--n Manobran Manobra

Diagrama VDiagrama V--n Manobran Manobra

• Determina as condições de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistir

Limite de stall

Limitação

estrutural por

velocidade

Limitação estrutural

para fator de carga

Diagrama de manobra

Diagrama VDiagrama V--n Rajadan Rajada

• Determina as condições de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistir

2.2661.998

-0.061

3.208

-1.099

-2.289-2.352

4.127

4.537

-1.170

-2.220-2.266

4.0504.543

2.823

-0.355

-0.064

2.024

1.832

0.04

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

EAS (m/s)

Nz

Flap 0 / 6096m Flap 0 / 7040m Flap 9 / 6096m Flap 18 / 6096m

Flap 22 / 6096m Flap 45 / 6096m

Cargas no SoloCargas no Solo

• Pouso• Absorção de energia

• Aeronave com velocidade vertical e horizontal

• Manobras• Taxi, curvas, frenagem, etc

Configuração Triciclo Configuração Convencional

Pouso DinâmicoPouso Dinâmico

Tipos de AnTipos de Anáálise de Cargaslise de Cargas

-Corpo Rígido : (Cargas Estáticas )

-Análise de cargas atuantes em uma aeronave considerando condição de

equilíbrio estático. Não significa necessariamente vôo reto nivelado.

- Cargas variantes no tempo (rajada e manobra com histórico de tempo)

Carga estática: condições onde as forças externas estão em equilíbrio com as forças de inércia (avião rígido).

Tipos de AnTipos de Anáálise de Cargaslise de Cargas

-Avião Flexível : (Cargas Dinâmicas)

-Análise de Fadiga

-Estudo das cargas e seu número de ocorrências ao longo da vida do avião.

Carga dinâmica: condições onde as forças externas se encontram em equilíbrio com as forças de inércia associadas aos modos rígidos e flexíveis (avião flexível).

Fases do CFases do Cáálculo de Cargaslculo de Cargas

- Definir Requisitos (Aeronáutico ou próprio, com fatores de carga de manobra, razão de afundamento no pouso, fatores de segurança, etc)

- Congelar Dados Básicos (Configuração, Peso, CG, Coeficientes Aerodinâmicos, etc)

- Definir Velocidades (Diagrama H-V)- Cálculo das Respostas do Avião (Vôo e Solo)

(Forças Globais e Acelerações atuantes, Diagrama V-n)- Distribuição das cargas nos componentes principais (entenda-se:

asa, fuselagem, EH, EV e trem de pouso).

- Gráfico de esforços internos ao longo dos componentes (cortante, flexão, torção, normal nas direções de interesse).

(A utilização do Sistema Internacional de Unidades, assim como a definição de um sistema de referência é muito bem vinda para o melhor entendimento físico do desenvolvimento e das analises)

RelatRelatóórios rios –– Cargas e EstruturasCargas e Estruturas

RelatRelatóórios rios –– Cargas e EstruturasCargas e Estruturas

RelatRelatóórios rios –– Cargas e EstruturasCargas e Estruturas

ESTRUTURASESTRUTURAS

ANDRÉ SORESINI

FÁBIO MASSUIA

RAFAEL MORAES

DefiniDefiniçções bões báásicas sicas airframeairframe

•Asa – componentes estruturais básicos– Longarina: Principal componente da asa, para esta categoria, desde que utilize

uma asa com longarina;

– Nervuras: Ajudam a dar forma para a asa, além é claro de ajudar a estrutura.

– Revestimento: Pode ou não ser estrutural, depende muito da concepção adotada da asa.

– Reforçadores: Muito pouco utilizados no Aerodesign. Ajudam a resistir a esforços axiais.

•FuselagemResponsável por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque de combustível, etc.

•Cauda – Tail BoomElemento que liga a empenagem na fuselagem. Responsável pela eficiência das superfícies de controle das empenagens.

• Tensão Limite: Fim da região linear, quando o material exibe mais do que 2% de deformação permanente.

• Tensão Ultimate: quando a material falha, não necessariamente igual a 1.5 * tensão limite (yield stress). Mas utilizamos este método.

• Existem “allowables” de materiais (tração, compressão, cisalhamento) e “allowables” de propriedades geométricas locais (crippling, buckling, etc).

• MS = Tensão Aplicada / Allowable – 1 � MS deve ser maior que zero. Todos os valores menores que 0.5 devem ser analisados cuidadosamente para valores corretos de carga e allowables.

• Para cada MS, indicar o tipo de falha previsto! Cada MS deve estar associada a um modo de falha!

CargasCargas LimiteLimite, Ultimate e MS, Ultimate e MS

• Safe-Life � vida de projeto específica;• Tolerante ao Dano � habilidade de resistir ao dano.

Componente estrutural com as seguintes características:– Os efeitos de impacto (qual tamanho, forma, força causadores da

falha estrutural); – As condições requeridas para causar fadiga de metal;– Habilidade de resistir à fadiga (por quanto tempo uma estrutura

resistirá sob um certo tipo de carregamento); – A resistência residual da estrutura depois de ter superado

impacto ou fadiga.

• Fail-Safe � estrutura redundante;

Filosofias Estruturais: fail safe /Filosofias Estruturais: fail safe /safe safe lifelife / / damagedamage toleranttolerant

Eficiência EstruturalEficiência Estrutural

• Estrutura eficiente é aquela com o menor peso possível para carregar a maior carga de projeto estipulada, sem falhar.

PossPossííveis Ensaiosveis Ensaios

• Resistência da asa � Carga Máxima à qual a mesma estará sujeita * fator de carga!

DistribuiDistribuiçção de carga nos ão de carga nos componentescomponentes

• Asa / Fuselagem / Empenagem– Momento Fletor / Momento Torçor / Força

Cortante � Estes devem ser aplicados em cada estação da Asa / Fuselagem / Empenagem.

– Caminho de carga � Por onde a carga vai, qual componente da asa, fuselagem ou empenagem irá receber a maior parcela do carregamento.

– Efeitos Dinâmicos � Flutter na empenagem.

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

• Trem de pouso– Cargas de pouso / solo � Componentes

horizontais e verticais devem ser aplicadas nos pontos corretos. Efeitos secundários presentes.

CondiCondiçções de Contorno (CC)ões de Contorno (CC)

•Análise Comparativa de CCAs condições de contorno são condições primordiais para qualquer modelagem, seja ela analítica ou por elementos finitos. Entender como a estrutura é e como éapoiada / fixada se torna essencial.

Engastada

Apoio nas 4 bordas

Apoio em 2 bordas

2.0mm

6.0mm

23.0mm

• Quando realizar análise estrutural em EF?– Quando a análise analítica é inviável e/ou

onerosa;– Para determinação de esforços (força normal,

fluxo de cisalhamento, etc.) que posteriormente são aplicados num cálculo analítico!

– Ex. Longarina de asa � ANALÍTICO

Carga axial nos reforçadores ����analise analítica de tração e flambagem

Modelamento Estrutural Modelamento Estrutural vsvs. C. Cáálculo lculo AnalAnalííticotico

Modelamento Estrutural Modelamento Estrutural vsvs. C. Cáálculo lculo AnalAnalííticotico

• Exemplo de Análise por Elementos Finitos.

FEM FEM –– MMéétodo de Elementos Finitostodo de Elementos Finitos

FEM FEM –– MMéétodo de Elementos Finitostodo de Elementos Finitos

•Conceitos Gerais– FEM separa a estrutura em diversos elementos da mesma estrutura;

– Os nós de cada elemento são reconectados como se nós fossemprendedores que mantêm os elementos unidos;

– Os resultados são um conjunto de equações algébricas simultâneas.

•Graus de Liberdade (DOF)– Continuum: infinitos DOF;

– FEM: finitos DOF.

•Aplicações do FEM– Entender como vários elementos se comportam com formatos e

carregamentos arbitrários, condições de contorno;

– Possibilita a aplicação de restrições complexas, as quais permitem queestruturas complexas sejam resolvidas.

•Desvantagens do FEM– FEM obtem apenas soluções aproximadas;

– Muitos dados de entrada são necessários.

InterpretaInterpretaçção e Apresentaão e Apresentaçção de ão de ResultadosResultados

Azul Azul éé sempre sinal de algo bom?!sempre sinal de algo bom?!CritCritéérios de Falha rios de Falha �������� M.S.M.S. ou F.I. ou F.I. �������� AllowablesAllowablesUNIDADES! O resultado faz sentido?UNIDADES! O resultado faz sentido?•Azul é sempre sinal de algo bom?!•UNIDADES! O resultado faz sentido?•Critérios de Falha � M.S. ou F.I. � Allowables

• O que acontece aqui?Saber o que observar em um modelo de Elementos Finitos é essencial. Qual o admissível? O componente está bom ou não?

InterpretaInterpretaçção e Apresentaão e Apresentaçção de ão de Resultados Resultados –– ExemploExemplo

InterpretaInterpretaçção e Apresentaão e Apresentaçção de ão de Resultados Resultados –– ““Outros ExemplosOutros Exemplos””

AnAnáálise Composto lise Composto vsvs. Met. Metáálicolico

• O que extrair de resultado de uma análise ou de outra?

Material Composto:Material Composto:

- Observar os índices de falha em cisalhamento laminar ou entre lâminas, relativos ao menor allowable utilizado.

- Observar os maiores valores de deformação ou tensão (Limit Stress/Strain) e comparar com os allowablesreferentes às direções 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo.

Material MetMaterial Metáálico:lico:

- Observar tensões de escoamento (yield) e ruptura (ultimate); esmagamento (bearing); compressão (compression).

SeleSeleçção do Materialão do Material

• Observar tipo de carregamento e qual material se adapta a esta condição:– Carga de tração atuante;– Carga de compressão;– Cisalhamento.

• Condições ambientais?• Cargas cíclicas?

Obrigado!Obrigado!Bibliografia RecomendadaBibliografia Recomendada

• Cargas:– Resenha de Cálculo de Peso e Centragem, Cargas e Estruturas Aeronave

Acrobática Leve – Mario Lott (1989) – Anexo– Apostila Curso Tópicos especiais em Cargas e Aeroelasticidade (programa PEE –

EMBRAER) (34Mb)<http://www.demec.ufmg.br/Cea/Bibliografia/cargasnasaeronaves.pdf>

– T. Lomax, Structural loads analysis for commercial transport aircraft: Theory and practice.

– Raymer D. P (1982) Aircraft design a Conceptual Approach. AIAA Educacional series

– Aircraft Structural Loads: Requirements, Analysis, Testing, and Certification<http://www.continuinged.ku.edu/aero/course.php?aid=6>

• Estruturas:– NIU, Michael Chun-Yung:

• Airframe Structural Design;• Airframe Stress Analysis and Sizing;• Composite Airframe Structures;

– BRUHN, E. F., Analysis and Design of Flight Vehicle Structures.– JONES, Robert M., Mechanics of Composite Materials

• Geral:– FAR Part 23