Aplicação de materiais inteligentes para controle da instabilidade de whirl-flutter

Abstract

O fenômeno do whirl-flutter é uma instabilidade aeroelástica que deve ser considerada durante o projeto de uma aeronave. Esse é provocado pelo acoplamento dos modos estruturais da asa em concomitância com as forças aerodinâmicas que atuam nas pás das hélices e com efeito giroscópico atuante no rotor. Desse modo, um movimento instável pode ser produzido, causando danos e até falhas estruturais na aeronave. Normalmente, hélices ou rotores em uma nacele de uma asa são susceptíveis a tal fenômeno, especialmente quando esses possuem grande diâmetro, como no caso das aeronaves com capacidade de decolagem e pouso vertical (VTOL) com rotores móveis, como as tilt-rotors. Deste modo, com o intuito de melhorar o desempenho de tais aeronaves, diversos estudos buscaram formas de controle vibracional dos rotores das aeronaves. Contudo, mesmo com ampla aplicação em diversos estudos envolvendo problemas aeroelásticos, a aplicação piezoelétrica para problemas envolvendo o whirl-flutter, seja passivamente como transdutores (coleta de energia ou controle passivo) ou como atuadores (ativamente), permanecem, até onde se sabe, pouco exploradas. Ademais, comumente diversos estudos buscam a análise de estruturas lineares, negligenciando efeitos não lineares. No entanto, esses são intrínsecos a todo tipo de aeronave podendo surgir em projeto ou durante a vida operacional das mesmas. Tais efeitos podem engendrar, por exemplo, oscilações em ciclo limite ou comportamentos imprevisíveis não observados em projeto, podendo causar inclusive causar falhas catastróficas. Dessa forma, fica clara a importância tanto do fenômeno ora apresentado e da aplicabilidade dos materiais piezoelétricos e, portanto, a presente pesquisa buscou a realização da análise numérica para o controle vibracional do whirl-flutter em rotores de aeronaves de forma passiva, ativa e híbrida com a inclusão de materiais piezoelétricos nos sistemas linear e não linear com a inclusão do hardening estrutural e da folga, assim possibilitando a observância do controle das amplitudes de oscilação e postergação da velocidade flutter. Ademais, a idealização de um aparato experimental visando possíveis validações experimentais foi buscada.

The whirl-flutter phenomenon is an aeroelastic instability that must be considered du ring the design of an aircraft. This is caused by the coupling of all structural modes of the wing together with the aerodynamic forces acting on the propeller blades and with a gyroscopic effect acting on the rotor. Hence, an unstable movement can be produced, causing damage and even structural failures to the aircraft. Normally, propellers or ro tors in a wing nacelle are susceptible to such a phenomenon, especially when they have a large diameter, as in the case of aircraft with vertical takeoff and landing (VTOL) with moving rotors, such as tilt-rotors. Therefore, to improve the performance of such aircraft, several studies have sought to control the vibrational of aircraft rotors. However, even with wide application in several studies involving aeroelastic problems, the piezoelectric application for problems involving whirl-flutter, whether passively as transducers (energy harvesting or passive control) or as actuators (actively), remains, as far as is known, little explored. Furthermore, several studies commonly seek to analyze linear structures, ne glecting non-linear effects. However, these are intrinsic to all aircraft types and may arise in design or during operational life. Such effects can generate, for example, limit cycles or unpredictable behavior not observed in the project, which can even cause catastrophic failures. Thus, the importance of both the phenomenon presented here and the applica bility of piezoelectric materials becomes clear and, therefore, the present research sought to carry out numerical analysis for the vibrational control of whirl-flutter in aircraft ro tors in a passive, active, and hybrid way. with the inclusion of piezoelectric materials in linear and nonlinear systems with structural hardening and freeplay nonlinearities, thus enabling compliance with the control of oscillation amplitudes and postponement of flut ter speed. Furthermore, the idealization of an experimental apparatus aiming at possible future experimental validations was sought.