Projeto e otimização de um conjunto fuselagem-cauda de um VANT Aerodesign.

Abstract

O presente Trabalho de Graduação teve como foco o projeto estrutural e a validação da geometria da fuselagem e cauda de um Veículo Aéreo Não Tripulado Cargueiro, desenvolvido para a participação na competição AeroDesign SAE. A pesquisa aborda uma área em rápida expansão na engenharia brasileira – a de drones e VANT’s – e se concentrou no estudo de materiais com bibliografia escassa e complexa, como a madeira balsa e compósitos. O objetivo central foi elaborar e validar uma metodologia de projeto para o conjunto fuselagem-cauda, equilibrando fatores críticos como: resistência estrutural, leveza, aerodinâmica, espaço para carga/sistemas e viabilidade econômica. O trabalho utilizou uma abordagem multifacetada, combinando recursos analíticos, ferramentas de simulação numérica e critérios de falha específicos para materiais anisotrópicos. O projeto 3D foi desenvolvido nos softwares SolidWorks e PTC Creo. Uma pré-análise em Elementos Finitos no PTC Creo Simulate permitiu identificar pontos críticos e a inviabilidade de utilizar madeira balsa na geometria "caixão" devido à insuficiência de resistência a tensão máxima e ao cisalhamento. Isso levou à substituição pelo Medium Density Fiberboard. Códigos em Python foram desenvolvidos para o cálculo de membros de treliça (aproximando-se ao MEF) e para a análise de vigas do Tailboom (cauda) utilizando o Método das Equações Singulares, com validação cruzada no software Linear Elements Structure Model. A análise de validação final foi realizada no PrePoMax, utilizando o solver CalculiX, que confirmou a integridade estrutural da fuselagem em MDF. As tensões e os deslocamentos máximos se mantiveram em patamares seguros. O projeto comparou duas concepções de fuselagem: treliçada (em tubo de carbono) e tipo "caixão" (em chapa). Embora a fuselagem treliçada fosse tecnicamente superior em desempenho e peso , a decisão de engenharia final pendeu para a fuselagem "caixão" (MDF). Esta escolha se justificou pela sua vantagem de custo (10x mais barata que a opção em carbono) e maior facilidade construtiva e de manutenção, demonstrando que a solução mais eficiente nem sempre é a mais leve, mas sim aquela que atinge o melhor equilíbrio entre desempenho e viabilidade econômica e fabril. O estudo comprovou a robustez da metodologia de MEF e atingiu o objetivo de fornecer uma base técnica para futuros projetos da equipe.

The present Graduation Work focuses on the structural design and geometric validation of the fuselage and tail of a Cargo Unmanned Aerial Vehicle (UAV), developed for the SAE AeroDesign competition. The research addresses a rapidly expanding field in Brazilian engineering—drones and UAVs—and focuses on the study of materials with sparse and complex bibliography, such as balsa wood and composites. The primary objective was to develop and validate a design methodology for the fuselage-tail assembly, balancing critical factors such as structural strength, lightness, aerodynamics, payload/systems space, and economic viability. The study employed a multifaceted approach, combining analytical resources, numerical simulation tools, and specific failure criteria for anisotropic materials. The 3D design was developed using SolidWorks and PTC Creo software. A preliminary Finite Element Analysis (FEA) in PTC Creo Simulate identified critical points and the unfeasibility of using balsa wood in the "box" geometry due to insufficient resistance to maximum stress and shear. This led to its replacement with Medium Density Fiberboard (MDF). Python codes were developed for calculating truss members (approximating FEA) and for analyzing the tailboom beams using the Method of Singularity Equations, with cross-validation in the Linear Elements Structure Model (LESM) software. The final validation analysis was performed in PrePoMax using the CalculiX solver, confirming the structural integrity of the MDF fuselage, with maximum stresses and displacements remaining within safe levels. The project compared two fuselage concepts: truss-based (carbon fiber tube) and "box" type (sheet-based). Although the truss fuselage was technically superior in performance and weight, the final engineering decision favored the "box" fuselage (MDF). This choice was justified by its cost advantage (10x cheaper than the carbon option) and greater ease of construction and maintenance, demonstrating that the most efficient solution is not always the lightest, but the one that achieves the best balance between performance, economic viability, and manufacturing feasibility. The study proved the robustness of the FEA methodology and achieved the objective of providing a technical foundation for the team's future projects.