Desenvolvimento de programa em Python para otimização de projeto estrutural de asa de aeronave rádio controlada

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um programa em Python para otimização estrutural preliminar de asas de aeronaves rádio controladas, com foco em aplicações de aerodesign. O programa automatiza etapas fundamentais do projeto estrutural, como o cálculo de cargas aerodinâmicas, esforços internos e tensões, além de permitir a otimização geométrica da estrutura da asa. Para isso, foram aplicados conceitos de aerodinâmica, métodos numéricos e critérios de resistência estrutural, utilizando a madeira balsa como material principal. A metodologia incluiu a implementação de classes e funções em Python, com uso de bibliotecas como Pandas, Matplotlib e Scipy para manipulação de dados e visualizações gráficas. Os resultados obtidos permitiram não apenas a visualização detalhada das cargas e esforços internos, como também a determinação de uma configuração otimizada da asa. A melhor relação entre resistência e massa foi alcançada com duas longarinas de 1/8 de polegada, posicionadas a 23,5% e 40% da corda na raiz da asa, resultando em uma massa total de 102,5 g. Essa configuração representa uma redução de até 59% em relação a uma estrutura com mesma posição das longarinas, mas espessuras de 1/4, e uma economia de 5% em massa comparada a um indivíduo de mesma resistência e espessuras de parede, mas com posicionamentos diferentes. Esses resultados destacam o potencial do programa em gerar estruturas leves e eficientes, fundamentais para competições de aerodesign.

This work presents the development of a Python program for the preliminary structural optimization of radio-controlled aircraft wings, focusing on aerodesign applications. The program automates fundamental steps of the structural design process, such as the calculation of aerodynamic loads, internal forces, and stresses, while enabling geometric optimization of the wing structure. To achieve this, concepts of aerodynamics, numerical methods, and structural resistance criteria were applied, using balsa wood as the primary material. The methodology involved the implementation of classes and functions in Python, utilizing libraries such as Pandas, Matplotlib, and Scipy for data manipulation and graphical visualizations. The results obtained allowed for a detailed analysis of loads and internal forces and the identification of an optimized wing configuration. The best balance between strength and weight was achieved with two spars of 1/8 inch thickness, positioned at 23.5% and 40% of the chord at the wing root, resulting in a total mass of 102.5 g. This configuration represents a reduction of up to 59% compared to a structure with the same spar positions but with 1/4 inch thicknesses, and a 5% weight saving compared to an individual with the same strength and wall thicknesses but different spar positions. These results highlight the program's potential to generate lightweight and efficient structures, essential for aerodesign competitions.