CÁLCULO PRELIMINAR DE CARGAS E ESTRUTURAS

Transcrição

1 CÁLCULO PRELIMINAR DE CARGAS E ESTRUTURAS

2 CARGAS FREDERICO MOL MARIO LOTT RODRIGO VILA VERDE

3 Aero Design 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

4 Itens da Avaliação 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.

5 Juízes - Divisão por Disciplinas Desempenho Cargas / Estruturas Aerodinâmica Estabilidade/Controle Projeto

6 O que são Cargas? -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 Aerodinâmica // Propulsão Pesos e C.G. Inf. Aerodinâmicas e Desempenho Massas CARGAS Dimensionamento Estrutural Peso Peso Def. Estrutural Projeto Projeto de de Sistemas Def. Estrutural Projeto Projeto Estrutural

7 Importância das Cargas 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) Requisitos de Missão Eventos Operacionais Análise de cargas Informação utilizável Estruturas Determina grande parte dos requisitos estruturais, de sistemas e de operação Sistemas Outros

8 Curso de Cargas

9 Tipos de Análise 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

10 Diagrama de Peso e Centragem Mass (kg) 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 Flight Ground MRW MT OW MLW MZFW CG (% mac) 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

11 Diagrama H-VH Determina as condições de velocidade e altitude para as quais o avião será projetado E R J 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 M a = M c = M b = M d = Altitude (m) V a V b V c V d V f 1 V f 2 V a = E A S Vb = CAS Vc = CAS Vd = CAS V f 3 V f 4, 5 V f ,0 7 0,0 9 0, ,0 1 30,0 15 0, , ,0 2 10,0 E q u iv a le n t A irs p e e d (m /s )

12 Diagrama V-n V n Manobra

13 Diagrama V-n V n Manobra Determina as condições de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistir Limite de stall Limitação estrutural para fator de carga Limitação estrutural por velocidade Diagrama de manobra

14 Diagrama V-n V n Rajada Determina as condições de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistir Nz EAS (m/s) Flap 0 / 6096m Flap 0 / 7040m Flap 9 / 6096m Flap 18 / 6096m Flap 22 / 6096m Flap 45 / 6096m

15 Cargas no Solo Pouso Absorção de energia Aeronave com velocidade vertical e horizontal Manobras Taxi, curvas, frenagem, etc Configuração Triciclo Configuração Convencional

16 Pouso Dinâmico

17 Tipos de Análise de Cargas -Corpo Rígido : (Cargas Estáticas ) -Análise de cargas atuantes em uma aeronave considerando condição de equilíbrio estático. Não significa necessariamente vôo reto nivelado. Carga estática: condições onde as forças externas estão em equilíbrio com as forças de inércia (avião rígido). - Cargas variantes no tempo (rajada e manobra com histórico de tempo)

18 Tipos de Análise de Cargas -Avião Flexível : (Cargas Dinâmicas) Carga dinâmica: condições onde as forças externas se encontram em equilíbrio com as forças de inércia associadas aos modos rígidos e flexíveis (avião flexível). -Análise de Fadiga -Estudo das cargas e seu número de ocorrências ao longo da vida do avião.

19 Fases do Cálculo C 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)

20 Relatórios Cargas e Estruturas

21 Relatórios Cargas e Estruturas

22 Relatórios Cargas e Estruturas

23 ESTRUTURAS ANDRÉ SORESINI FÁBIO MASSUIA RAFAEL MORAES

24 Definições básicas airframe 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. Fuselagem Responsável por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque de combustível, etc. Cauda Tail Boom Elemento que liga a empenagem na fuselagem. Responsável pela eficiência das superfícies de controle das empenagens.

25 Cargas Limite,, Ultimate e MS 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!

26 Filosofias Estruturais: fail safe / safe life / damage tolerant Fail-Safe estrutura redundante; 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.

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

28 Possíveis Ensaios Resistência da asa Carga Máxima à qual a mesma estará sujeita * fator de carga!

29 Distribuição de carga nos componentes 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 Momento Fletor na Asa, Exemplo Cortante Cortante na Asa, Exemplo Momento Torçor na Asa, Exemplo Momento Torçor Estação Estações da Asa Estação Trem de pouso Cargas de pouso / solo Componentes horizontais e verticais devem ser aplicadas nos pontos corretos. Efeitos secundários presentes.

30 Condições de Contorno (CC) Análise Comparativa de CC As condições de contorno são condições primordiais para qualquer modelagem, seja ela analítica ou por elementos finitos. Entender como a estrutura é e como é apoiada / fixada se torna essencial. Engastada Apoio nas 4 bordas 2.0mm Apoio em 2 bordas 6.0mm 23.0mm

31 Modelamento Estrutural vs.. Cálculo C Analítico 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

32 Modelamento Estrutural vs.. Cálculo C Analítico Exemplo de Análise por Elementos Finitos.

33 FEM Método de Elementos Finitos

34 FEM Método 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 fossem prendedores 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 que estruturas complexas sejam resolvidas. Desvantagens do FEM FEM obtem apenas soluções aproximadas; Muitos dados de entrada são necessários.

35 Interpretação e Apresentação de Resultados Azul é sempre sinal de algo bom?! Critérios UNIDADES! UNIDADES! rios Azul de é sempre Falha O resultado O resultado sinal M.S. faz de ou sentido? algo faz F.I. sentido? bom?! Allowables Critérios de Falha M.S. ou F.I. Allowables

36 Interpretação e Apresentação de Resultados Exemplo 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?

37 Interpretação e Apresentação de Resultados Outros Exemplos

38 Análise Composto vs.. Metálico Material Composto: O que extrair de resultado de uma análise ou de outra? - 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 allowables referentes às direções 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo. Material Metálico: - Observar tensões de escoamento (yield) e ruptura (ultimate); esmagamento (bearing); compressão (compression).

39 Seleção 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?

40 Obrigado! Bibliografia 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) < 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 < 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