ENCITA-Diego Siebra de Brito Manufatura de um modelo para ensaios aeroelásticos de asas de alto alongamento em túnel de vento subsônico

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1 Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVII ENCITA / 2011 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil 19 de outubro de 2011 ENCITA-Diego Siebra de Brito Manufatura de um modelo para ensaios aeroelásticos de asas de alto alongamento em túnel de vento subsônico Diego Siebra de Brito Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Bolsista PIBIC-CNPq diegosiebra13@gmail.com Roberto Gil Annes da Silva Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil roberto.gil.silva@gmail.com Resumo. O objetivo inicial do projeto era a realização de ensaios de modelos aeroelásticos em túnel de vento subsônico. A idéia primária era realizar ensaios com uma placa plana e um modelo perfilado simples (perfil simétrico) já existente. O modelo perfilado preexistente no entanto não se apresentava em condições ideais para o ensaio já que apresentava incorreções geométricas na sua construção. Por conta disso o objetivo principal passou a ser a pesquisa e utilização de métodos de fabricação de modelos aeroelásticos devendo esses serem de baixo custo e relativa facilidade de utilização.a fabricação das nervuras do modelo perfilado foram feitas pelo método de prototipagem rápida(fds) enquanto que as peças de preenchimento desse mesmo modelo serão feitas através do uso de moldes e espuma de poliuretano expansível. Os moldes foram feitos por fresamento em peças poliméricas e de alumínio. Palavras chave: aeroelasticidade manufatura túnel de vento. 1. Introdução Asas de alongamento são vantajosas para aeronaves por diversos motivos. Para fim de ilustração podemos citar o novo conceito de asas HALE (High Altitude Long Endurance) que são basicamente asas de alto alongamento voando em altas altitudes. Muitas dessas aeronaves tem como missão atuar de forma remotamente controlada por longos períodos de tempo (para reconhecimento por exemplo) e por conta disso precisam ter asas de altas razões de sustentação/arrasto o que é proporcionado por asas de alto alongamento(anderson Jr. J.D.2010). Indo além do conceito de asas de alto alongamento podemos mencionar diversas outras aplicações que se utilizam da aeroelasticidade dentre estas o European 3AS (Active Aeroelastic Aircraft Structures) que através do seu modelo EuRAM(European Research Aeroelastic Model) estuda a utilização de estruturas ativas como AWTC (Aeroelastic Wing Tip Controls) pra uma melhora controlabilidade e eficiência em voo (KuzminaS. et al. 2011). Um elemento comum entre todas essas novas aplicações é a necessidade de ensaios em túneis de vento (Jaworski J.2010). Esse tipo de ensaio muito além de determinar características empíricas serve para a validação de modelamentos computacionais/matemáticos do problema. Seguindo as regras da similaridade os modelos a serem ensaiados devem apresentar alto grau de conformação geométrica em relação aos projetos originais. Isso se relaciona diretamente a métodos de construção que proporcionem essa conformação. Esses métodos no entanto devem ser baratos e na medida do possível rápidos na sua aplicação já que a construção de vários modelos com modificações muitas vezes discretas é necessária. A figura 1 mostra o modelo perfilado inicial o qual apresentava imperfeições geométricas na sua construção(figura 2).

2 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 1. Modelo perfilado inicial. Figura 2. Imperfeições no modelo perfilado inicial. 2. Nervuras do modelo perfilado A etapa de construção do modelo perfilado teve início com a fabricação das nervuras do mesmo. Devido a uma experiência anterior com construção de asas perfiladas (participação no Aerodesign) teve-se a idéia de utilizar os métodos construtivos desenvolvidos pelo CCM (Centro de Competência em Manufatura) no caso a prototipagem rápida por FDM. O processo de prototipagem rápida FDM (Fused Modeling Deposition) consiste na deposição de camadas de um material fundido no caso o ABS podendo ser policarbonato. Um bico injetor forma as camadas. Como as linhas injetadas têm um formato cilíndrico as arestas como o bordo de fuga podem ficar um pouco arredondadas. Essa imprecisão no entanto está na casa de 0.1mm de acordo com um dos coordenadores do CCM. Outro detalhe interessante é que as camadas depositadas podem ter espessuras variáveis a saber 0.12mm 0.18mm e 0.25mm dependendo da aplicação desejada. Através desse processo foram impressas três nervuras para teste (ver Fig. 3 e 4). Um detalhe interessante das nervuras obtidas pelo FDM é que as mesmas por serem constituídas de camadas que por sua vez são feitas de fibras direcionadas não apresentam propriedades uniformes com a direção. As propriedades do ABS feito em camadas pelo método FDM ainda não sem bem conhecidas e apesar de existentes os modelos presentes na literatura não tem um comportamento bem definido até o presente momento. Esse fato não é crítico para o projeto já que grande parte dos esforço será transferido para a viga de suporte estrutural do modelo(bisplinghoff R.L. et al.1983).

3 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 3. Nervuras feitas pelo método ABS. Figura 4. Nervuras em relação ao modelo inicial 3. Desenvolvimento do preenchimento e dos moldes Com as nervuras feitas foi necessário desenvolver um método para a fabricação do preenchimento feito de isopor cortado com fio quente no modelo inicial (ver fig. 1 e 2). Pensando em um material leve e que pudesse se adequar ao formato do perfil teve-se a idéia de usar um material que fosse expansível em um molde. Para esse tipo de procedimento é necessário que se utilize um molde que possibilite a remoção do modelo de espuma de forma fácil e sem danificar o mesmo. Inicialmente teve-se a idéia de utilizar um molde duplo do tipo macho-fêmea (fig.5). Figura 5. Projeto inicial de molde A fabricação dessas peças com o uso da fresadora (Roland MDX 20 ver fig. 6) no entanto seria inviável já que o fresamento trabalha com a ponta da broca e através da remoção de camadas. Para contornar o problema foi feito uma mudança na direção de corte gerando um molde de 3 peças e com corte longitudinal como pode ser visto na fig. 7. Na confecção dos modelos existem três etapas de fresamento: planeamento do bloco a ser usinado desbaste dos contornos do modelo e acabamento que pode ser ou não feito com o uso de outra ferramenta (broca mais fina). Pode-se observar um modelo desbastado na fig. 8 e um modelo após o acabamento na fig. 9. Observe que o modelo mostrado na figura 9 encontra-se em uma base maior do que a do projeto. Essa base existe pois é não é possível utilizar um bloco de tamanho exato já que isso exigiria o alinhamento perfeito entre a borda do bloco e o centro da broca.

4 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 6. Fresadora Roland MDX-20 Figura 7. Projeto final do molde Figura 8. Peça do molde desbastada

5 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 \ Figura 9. Peça do molde com acabamento O preenchimento entre as nervuras deve ser fixado na viga suporte do modelo ( observe a fig. 2). Para tal foi projetada a terceira peça do molde que consiste de uma placa de espessura igual a da viga a ser utilizada em uma base. A idéia inicial era realizar a fabricação dessa peça através da fresadora mas o formato fino da peça feita em sibatu não resistia bem ao esforço produzido pela broca e quando não quebrava durante a usinagem ficava deformada. A peça de sibatu foi então substituída por um modelo de alumínio ficando esse em um padrão adequado (fig. 10). Figura 10 : Peça de molde de alumínio 4. Conclusão e trabalhos futuros O método de protipagem rápida FDM se mostrou bastante adequado para a produção das nervuras do modelo perfilado. Os defeitos são mínimos mesmo em relação ao tamanho da superfície que é pequena. Apesar de não serem bem conhecidas suas propriedades estruturais foi justificada a sua escolha mesmo com esse impasse já que o mesmo não terá função estrutural. A produção dos moldes que serão posteriormente utilizados para a fabricação dos preenchimentos através do uso de uma espuma expansível de poliuretano se mostrou relativamente fácil através do fresamento CNC(Computer Numerical Cutting). As peças obtidas mantém a conformidade geométrica com o desenho de projeto e são de baixo custo. Em relação ao fresamento de sibatu o único problema foi a produção de peças finas em formato de placas. Por conta de deformações que ocorrem durante o processo o material muitas vezes quebrou ou ficou deformado sendo a solução para este problema o uso de alumínio como material base.

6 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Em relação à continuidade do trabalho tem-se como obejtivo principal a utilização da espuma expansível nos moldes e verificação da conformidade geométrica das peças obtidas por esse processo. Outro fator que deverá ser analisado é a adesão do material expansível aos blocos de sibatu já que esse é poroso. Com a fabricação dos preenchimentos o modelo terá todas as suas etapas de construção definidas já que a viga estrutural é feita a partir do corte de uma placa de alumínio. Posteriormente à conclusão do modelo tem-se como objeitvo o ensaio do mesmo em túnel de vento subsônico e análise de suas características aeroelásticas. Pode-se até mesmo pensar em utilizar os procedimento aqui descrito na fabricação de um modelo asa-fuselagem completo para ensaios mais elaborados. 5. Agradecimentos Gostaria de agradecer em primeiro lugar aos meus pais que sempre estimularam o estudo e a leitura de forma não impositiva tornando o aprendizado algo agradável e prazeroso. Ao Prof. Gil por ter aceitado me orientar nesse projeto pela paciência com dúvidas e reuniões e por tentar escolher atividades ao mesmo tempo desafiadoras e realizáveis. Ao CCM (Centro de Competência em Manufatura) em especial ao Dr. Anderson Borille e a Juliano Giordani pela disponibilidade e vontade de ajudar mesmo com suas agendas sempre cheias. Finalmente ao CNPq pelo grande incentivo à pesquisa científica desde os primeiros anos de atividade acadêmica algo decisivo para uma nação que almeja o crescimento. 6. Referências Anderson Jr. J.D.2010 Fundamentals of Aerodynamics Ed. McGraw-Hill Brazil Bisplinghoff R.L. et al.1983 Aeroelasticity Ed. Dover. Jaworski J.2010 Wind Tunnel Testing of Very Flexible High-Aspect-Ratio Wings Workshop on Recent Advances in Aeroelasticity Experiment and Theory Sao Jose dos Campos Brazil KuzminaS. et al Integrated Numerical and Experimental Investigations of the Active/Passive Aeroelastic concepts on the European Research Aeroelastic Model EuRAM ASDJournal(2011) Vol.2 No.2 pp