Publication: Influence of control surface freeplay on limit cycle oscillations in aeroelastic systems
Loading...
Date
Authors
Advisor
Bueno, Douglas Domingues 
Coadvisor
Graduate program
Engenharia Mecânica - FEIS 33004099082P2
Undergraduate course
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Type
Doctoral dissertation
Access right
Acesso aberto
Abstract
Abstract (portuguese)
Aeroelasticidade não-linear é um campo de importância atual e a análise de estabilidade é parte dos requisitos para certificar aeronaves. Especificamente, folga geométrica é uma não-linearidade descontínua comumente observadas nas conexões de superfícies de controle, e pode alterar a estabilidade do sistema gerando oscilações de ciclo limite (LCOs), tipicamente prejudiciais à estrutura, inclusive em termos de fadiga. O presente trabalho é focado na importante etapa de previsão da LCO. Isso envolve prever a amplitude e a frequência do movimento para condições de voo específicas. O foco principal desta pesquisa é aprimorar métodos numéricos convencionais para superar as dificuldades geradas pela descontinuidade da folga. As principais contribuições incluem melhorias na técnica de Hénon para soluções no tempo e, no domínio da frequência, uma nova forma combinar funções descritivas com a análise de autovalores de um sistema aeroelástico equivalente. Uma formulação geral na forma de matriz é proposta para a técnica de Hénon, permitindo a inclusão de diferentes não-linearidades descontínuas,em qualquer grau de liberdade arbitrário. Duas aplicações físicas são apresentadas, uma envolvendo um aerofólio de três graus de liberdade com folga assimétrica e atrito na conexão da superfície de controle; e também um aerofólio com quatro graus é investigado com folga em duas conexões de superfícies de controle do bordo de fuga. Esta formulação também permite usar a técnica como um método de localização de eventos, e é utilizada neste trabalho para capturar pontos extremos durante a integração de tempo, tipicamente útil para detectar LCO, construir diagramas de bifurcação, e também as seções de Poincarè. Além disso, duas novas funções descritivas são propostas, sendo uma para prever o primeiro e terceiro harmônicos de um sistema com folga, e a outra para considerar folga e atrito na conexão da superfície de controle. Resultados teóricos demonstram que as estratégias propostas contribuem para investigar sistemas aeroelásticos com não-linearidade descontínua.
Abstract (english)
The nonlinear aeroelasticity is an important field and stability analysis is part of the requirements to certificate aircraft. Specifically, freeplay is a discontinuous nonlinearity commonly appearing in hinge connections of control surfaces and it can change the stability of the system by generating limit cycle oscillations (LCOs), which may be detrimental to the structure in terms of fatigue. The present work is focused on the important first step of performing LCO prediction, which involves predicting the amplitude and frequency of motion that occurs for each particular flight condition. Then, the main focus of this research is to improve conventional numerical methods to address the aeroelastic analysis considering freeplay. The main contributions include an improved Hénon’s technique for time marching solutions and, regarding frequency domain, a new way of looking to the combination of describing functions with the eigenvalue analysis of an equivalent aeroelastic system. A general formulation in matrix form is proposed to the Hénon’s technique to include discontinuous nonlinearities in any desired degree of freedom (DOF). Two physical applications are presented, one involving a 3-DOF airfoil with asymmetric freeplay and solid friction in the control surface hinge; and also a 4-DOF airfoil with freeplay in two hinges of trailing edge control surfaces. This formulation includes an event location method, and it is used to capture extremes during the time integration, useful to detect LCO, to plot bifurcation diagrams, and also to plot Poincarè sections. In addition, two new describing functions are proposed, such that a first one predicts the first and third LCO harmonics for systems with freeplay, and the other one considers freeplay and friction in the control surface hinge. Theoretical results demonstrate that the proposed approaches contribute to investigate aeroelastic systems with discontinuous nonlinearities.
Description
Keywords
Freeplay. Limit Cycle Oscillations. Extended Hénon’s Technique. De- scribing Function. Equivalent Linearization Technique. Coulomb Friction. Multiple Harmonics. Combined Discontinuous Nonlinearities., Freeplay, Limit cycle oscillations, Extended Hénon’s technique, De-scribing function, Equivalent linearization technique, Coulomb friction, Multiple harmonics, Combined discontinuous nonlinearities, Folga, Oscilação de ciclo limite, Técnica de Hénon estendida, Função descritiva, Técnica de linearização equivalente, Atrito de Coulomb, Múltiplos harmônicos, Não-linearidades descontínuas combinadas.
Language
English
Citation
WAYHS-LOPES, L. D. Influence of control surface freeplay on limit cycle oscillations in aeroelastic systems. 2023. 139 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Estadual Paulista - UNESP, Faculdade de Engenharia, Ilha Solteira, 2023.
