Relatório Cargas e Aeroelasticidade - Delta Do Piauí #48

 

Universidade Federal do Piauí  Bacharelado em Engenharia Mecânica

Relatório de Cargas e Aeroelasticidade

Equipe Delta do Piauí  Nº 48 Componentes da Equipe: Alan Bruno Costa Cardoso Christian Prado dos Santos Machado Edilson Hennos Nery Silva Elinne Pacheco Pessoa Elisa Linhares Lima Gregory Mateus Ferraz Batista Aragão Thiago Dias Escórcio Wanessa Brito Freire Professor Orientador: Msc. Hélio de Paula Barbosa TERESINA-PI, Julho/2017

 

Lista de Figuras 1

Diagr iagram amaa V-n -n..   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2

Dis Distrib tribuiç uição ão do carr carreg egame amento nto na mei meiaa asa. asa.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

3

Grá Gráfico fico da car carga ga de man manob obra ra em fun função ção da ve veloc locida idade. de.   . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

4

Carre Carregamen gamento to limite médio para super superfícies fícies de coman comando do (FAR (FAR 23)   . . . . . . . . . . .

8

1  

Sumário 1

List Lista a de Símb Símbol olos os

2

Inp Inputs

3

Análise Análise de Cargas Cargas e Estru Estrutur turas as

4

 

3

 

4  

5

3.1 Dia Diagra grama ma V-n   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.2 Análi Análise se de Carg Cargas as e E Estrutu struturas ras na Asa   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.11 Distrib 3.2. Distribuição uição de Susten Sustentação tação   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6

3.3 Car Cargas gas na Emp Empena enagem gem   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.3.11 3.3.

Carg Cargas as na Empe Empenagem nagem Horizontal Horizontal   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.3.22 3.3.

Carg Cargas as na Empe Empenagem nagem Vertical   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Cargas Cargas nos Sistemas Sistemas de Comando Comando

 

8

4.1 Car Cargas gas nos nos Ail Ailero erons ns   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

4.2 Car Cargas gas no Pro Profun fundor dor   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

4.3 Car Cargas gas no Lem Lemes es   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

5

Cargas Cargas na Fusela Fuselagem gem

9

6

Carg Cargas as no Solo Solo

   

6.1 Carg Cargas as no Tr Trem em de Pous Pousoo   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

9

6.1.11 6.1.

Aterris Aterrissagem sagem em vôo nivelado nivelado - Pouso Pouso de pista   . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

6.1.2 6.1 .2

Ate Aterris rrissag sagem em em três ponto pontoss   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

6.1.33 6.1.

Carg Cargas as laterai lateraiss na aterris aterrissagem sagem   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

6.1.4 6.1 .4

Car Cargas gas de fre frenag nagem em  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7

Outp Outpu uts

8

Refe Referê rênc ncia iass

 

12  

13

2  

1

Li List sta a de Sí Símb mbol olos os

V c  – Velocidade de ccruzeiro ruzeiro

H  – Componente horizontal no centro de gravi-

V d – Velocidade de mergulho

dade

V a – Velocidade de manobra

V g  – Componente vertical no solo (em cada roda)

V s  – Velocidade de estol

H g   – Componente horizontal no solo(em cada

n – Fator de carga

roda)

ρ – Massa específica do ar

gt  – Componente vertical no trem principal V gt

L – Sustentação

V ggbb  – Componente vertical na bequilha

A – Área do aileron

H gi gi  – Componente horizontal no solo (roda do

C  –  – Carga na semi asa

lado interno)

P eh eh – Cargas na empenagem horizontal

H ge ge  – Componente horizontal no solo (roda do

c” – Relação entre a corda do profundor e a corda lado externo)

empenagem horizontal

V gf  gf   – Componente vertical de frenagem no solo

c – Relação entre a corda do estabilizador e a (em cada roda) 

corda da empenagem horizontal

H gf  Compon onen ente te ho horiz rizon ontal tal de fre frena nage gem m no solo solo gf   – Comp

Aa – Área da asa

(em cada roda)

C L

max

– Coeficiente de Sustentação máximo

P eh eh  – Carga na empenagem horizontal

V  – Velocidade

Aev  – Área da empenagem vertical

g  – Gravidade

P a – Carga no aileron

W  –  – Peso total de decolagem

P  p – Carga no profundor

C l  – Coeficiente de sustentação

ng  – fator de carga no solo

Av  – Área da empenagem vertical

n1  – fator de carga para aeronave utilitária

V v  – Componente da velocidade vertical V 1 – Componente vertical no centro de gravidade

3  

2

Inputs

V s  = 12,836 m/s

c = 0,368

ρ = 1,165258 kg/m3

W  =  = 137,24 N 

g  = 9,81 m/s2

C Lmax Lmax  = 1,7737

Aa = 0,8066 m2 c” = 0,705



4  

3

An Anál ális isee de Ca Carg rgas as e Es Estr trut utur uras as A análise de cargas e estruturas foi realizada na maioria dos componentes estruturais do avião,

entretanto neste está descrito em melhores detalhes as cargas nas asas, nos ailerons e nas empenagens. Inicialmente foi plotado o Diagrama V-n que será apresentado a seguir.

3. 3.1 1

Di Diag agra rama ma V-n

O diagrama V-n de manobra e rajada foi construído com as velocidades alcançadas pela aeronave com o carregamento ao qual está submetida, como obersvado no Iscold no  Iscold ( (2002 2002). ). Através do diagrama, é feita uma análise sobre as situações limitantes às quais a aeronave pode ser submetida. O diagrama é um envelope combinado dos diagramas de manobra e rajada. A partir da elaboração desses envelopes, há um análise das situações críticas de voo e a construção do envelope de voo da aeronave. Para o envelope de manobras, são usadas as velocidades estruturais e os fatores de carga para manobras. As velocidades e os fatores seguem algumas normas CS-VLA. As velocidades estruturais são relacionadas da seguinte forma: • A velocidade de cruzeiro não pode ser maior que 0,9 V h, onde  V h  onde é a velocidade máxima horizontal; • A velocidade nunca excedida em Mergulho ( V d ), que deve ser maior que 1,25Vc;

√ 

• A velocidade de manobra(V a) deve ser menor ou igual a  V s · n, onde V s  é a velocidade de estol e (n) é o fator de carga máximo para a aeronave.  V a  não deve exceder (V c ).

Tem-se então, baseado na JAR-VLA(335 JAR-VLA(335)) que  V c = 22,0887 m/s,  V d = 27,6109 m/s e  V a = 20,2955 m/s. Os fatores de cargas utilizados para a aeronave foram +2,5 e -1,5.

Figura 1 – Diagrama V-n.

Baseado nas velocidades obtidas, nos fatores de cargas de rajada e nos limites de sustentação utilizados na aeronave, foi plotado o diagrama acima assim como dito em Barros em  Barros ( (2001 2001). ).

5  

3.2

Anál Análise ise de Cargas Cargas e E Estru struturas turas na Asa

As forças aerodinâmicas agindo sobre a asa provocam um carregamento que foi calculado considerando que a única força aerodinâmica atuando sobre a asa é a sustentação (L). Assim foi obtido o valor de 137,2419 N. 3.2.1 3.2. 1

Distribuição Distribuição de Sustentação Sustentação

A distribuição distribuição de susten sustentação tação ao long longoo da asa foi obtid obtidaa atrav através és do métod métodoo de Stend Stender er.. Segu Segundo ndo Barros ( (2001 Barros 2001), ), o método se baseia na hipótese de que a distribuição de cargas ao longo da envergadura é proporcional às áreas de uma asa virtual na qual suas cordas são a média geométrica das cordas reais e a da de uma asa elíptica de mesma área e envergadura. Tabela 1 – Dados da sustentação da meia asa

Estação

x(m)

As(m²)

L(N)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,19

0,0599 00,,0568 0,054 00,,0508 0,0461 00,,0412 0,0357 00,,0174 0

68,65153 66,18738 63,13409 59,48202 55,17272 50,06053 43,78798 35,20527 0

O carregamento da Sustentação da semi asa é representado pelo gráfico da figura 2,onde o peso da semi-asa foi decomposto em 9 parcelas variando proporcionalmente entre a a ponta e a raiz.

Figura 2 – Distribuição do carregamento na meia asa.

6  

3.3 3.3.1 3.3. 1

Car Cargas gas na Emp Empen enage agem m Cargas Cargas na Empenage Empenagem m Horizonta Horizontall

Para calcularmos as cargas na empenagem horizontal utilizamos a JAR-VLA Apêndice A. Onde: ρ · Aa · V 2 · C L 2.W 

max

· 12, 90461

 

(1)

Obtemos assim o gráfico da figura 3 figura  3 que  que mostra a velocidade em função da carga de manobra.

Figura 3 – Gráfico da carga de manobra em função da velocidade.

Realizando o somatório de momentos temos que: 

P eh · I h − L · X 

 4 + W 

· I cg cg − c 4

Onde  I h  = 0,72 m,  L  = 137,24  N   ,  X  = 0,0177  N   ,  W  = 137,24  N   ,   4 I 4

 

(2)

c

Obtemos

  = 0, 176  .

· cg cg −



assim que P eh eh  = 30,17  N  3.3.2 3.3. 2

Cargas Cargas na Empenage Empenagem m Vertica Verticall

Para calcularmos as cargas na empenagem vertical utilizamos a JAR-VLA Apêndice A. Onde P ev ev   =

  ρ · C L · AV   · V 2 2

 

(3)

Onde  ρ  = 1,16528kg/ m3 , C l  = 1,7737 ,  A v  = 0,037m2 e V a = 20,29m/s . Assim obtemos que  P ev ev = 15,74 N .

7  

4

Ca Carg rgas as no noss Si Sist stem emas as de Co Coma mand ndo o

4.1

Car Cargas gas nos Ailer Ailerons ons

Como previsto na FAR 23.349 utilizamos o carregamento para a condição mais crítica,ou seja 100%. Pelo parágrafo 23.349 b, temos que para fins de projeto, a carga calculada deve ser 2/3 do fator carga, assim como para a deflexão máxima dos ailerons. Para esse cálculo utilizou-se o Apêndice A da FAR 23.

Carregamento limite médio para superfícies de comando (F (FAR AR 23) Figura 4 – Carregamento

P a   =

· n · W  · · A Aa · 3

  2 0, 466

·

1

 

(4)

obtemos que a carga Onde  n1  = 4,4 , W = 137,24N  ,  , A = 0,040839  m 2 e  A a  = 0,8066m2 . Assim obtemos aplicada em um aileron será de 9,498 N.

4.2

Car Cargas gas no Pr Profu ofundo ndorr

Pelas relações obtidas através do Barros do Barros ( (2001 2001), ), podemos obter a carga no profundor pela relação P  p   =

  P eh eh · c” c + c” 

 

(5)

Onde  P eh eh  = 30,17  N  , c” = 0,368 e c’ = 0,705 . Assim obtemos que o momento no profundor será de 10,34 N .

8  

4. 4.3 3

Ca Carg rgas as no Le Leme mess

Pelas relações obtidas através do Barros do Barros ( (2001 2001),podemos ),podemos obter a carga no leme pela relação: P l   =

  P ev ev · c” c + c”

 



(6)

Onde   P ev 0,368 e c’ = 0,705 0,705 . Ass Assim im obte obtemos mos que o mome momento nto no pro profun fundor dor ev  = 14,35   N   , c” = 0,368 será de 5,66 N. O parágrafo da FAR-PART 23.395(a) prevê que o dimensionamento de superfícies de comando deve ser feito com uma carga igual a 125% da carga limite calculada para a mesma. Logo, a carga para o dimensionamento desse sistema será de: P l   = 5, 66 · 1, 25 = 7, 075N.

5

 

(7)

Ca Carg rgas as na Fu Fuse sela lage gem m As cargas atuantes na fuselagem da aeronave são decorrentes da atuação de cargas nas asas, cargas

nas empenagens, cargas no trem de pouso e o peso da própria aeronave. As cargas na asa presente no avião são a sustentação gerada pelo escoamento do ar e pelo peso da estrutura da asa. As cargas nas empenagens, assim como nas asas, são a sustentação gerada nos dois elementos e o peso dos mesmos. As cargas no trem de pouso são provocadas pelo impacto durante o pouso e cargas de inércia. Outros carregament carreg amentos os sobre a fuselag fuselagem em podem também ser result resultantes antes da força de arrasto arrasto,, como a compocomponente horizontal da resultante das forças aerodinâmicas, e a tração gerada pelo grupo motopropulsor, assim como é dito em Rodrigues em Rodrigues ( (2013 2013). ).

6

Ca Carrga gass no So Solo lo

6.1

Car Cargas gas no Trem rem de Pouso Pouso

As cargas no trem de pouso são determinadas pelo JAR-VLA 473 até 499. A JAR-VLA(a), estabelece que os cálculos deverão ser feitos para a condição de peso máximo, no caso JAR-VLA(b),obtemos JAR-VLA(b),obtemos assim uma velocidade vertical de 25,948 m/s, obtida através da fórmula: V V  V    = 0, 61 · 6.1.1 6.1. 1

 M.g  S 

1/4

(8)

Aterrissagem Aterrissagem em vôo vôo nivel nivelado ado - Pouso Pouso de pista pista

Para aterrissagem em atitude voo nivelado, utilizamos o parágrafo da FAR-PART 23.749, onde obtemos que:

9  

a) Componente vertical no centro de gravidade:  

V   =  n · W   = 3, 67 · 137, 24 = 503, 67N 

(9)

b) Componente horizontal no centro de gravidade:  

H   =  k · n · W   = 0, 33 · 3, 67 · 137, 24 = 166, 21N 

(10)

c) Componente vertical (em cada roda): V g   =

  ng · W 

 

  = 0, 5 3, 67 137, 24 = 251, 83N 

2

·

·

(11)

d) Componente Horizontal no solo (em cada roda): H g   = 6.1.2 6.1. 2

  k · ng · W  2

 

 

= 0, 5 0, 33 3, 67 137, 24 = 83, 10

·

·

·

(12)

Aterrissagem Aterrissagem em três pontos pontos

Para aterrissagem em três pontos, utilizamos o parágrafo da FAR-P AR-PAR ART T 23.481 (a)-1, onde obtemos que: a) Componente vertical no centro de gravidade: V   =  n · W   = 3, 67 · 137, 24 = 503, 67

 

(13)

b) Componente vertical no trem principal (em cada roda):   ng W  b 0, 03 ·   · d   = 0, 5 · 3 · 137, 24 · 0, 264   = 2, 34N  2 V gt   =

 

(14)

c) Componente vertical na bequilha: V ggbb   = 6.1.3 6.1. 3

  ng · W  a 0, 357   ·   = 0, 5 · 3 · 137, 24 ·   = 278, 38N  2 d 0, 264

 

(15)

Cargas Cargas laterais laterais na aterrissagem aterrissagem

Para determinarmos as cargas laterais durante a aterrissagem utilizamos o parágrafo da F FAR-P AR-PAR ART T 23.485, a qual determina que: i) A aeronave em atitude nivelada com apenas o trem principal em contato com o solo; ii) O fator de carga c arga vertical deve ser igual a 1,33, dividindo-se a carga nesta direção igualmente para as duas rodas do trem principal;

10  

iii) O fator de carga lateral deve ser igual a 0,83, sendo 0,5, para a roda do interno e 0,33 para a roda do lado externo. a) Componente vertical no solo (em cada roda): V g   =

  1, 33 2

· W   

 

= 0, 5 1, 33 137, 24 = 91, 26N 

·

·

(16)

b) Componente horizontal no solo (roda do lado interno): H ggii   = 0, 5 · W   = 0, 5 · 137, 24 = 68, 62N 

 

(17)

c)Componente horizontal no solo (roda do lado externo): H ggee   = 0, 33 · W   = 0, 33 · 137, 24 = 45, 29N  6.1.4 6.1 .4

 

(18)

Cargas Cargas de frena frenagem gem

De acordo com o parágrafo da FAR-PART 23.493(b) as condições de altitude para as cargas de frenagem devem ser idênticas às condições admitidas para a aterrissagem nivelada. Entretanto, o fator de carga vertical aplicado deve ser de 1,33 e as componentes horizontais devido à frenagem devem ser iguais a 80% do valor das componentes verticais. Dessa maneira, obtemos que: a) Componente vertical no solo (em cada roda): V gf  gf   =

  1, 33 2

· W   

= 0, 5 1, 33 137, 24 = 91, 26N 

·

·

 

(19)

b) Componente Horizontal no solo (em cada roda): H gf  gf   =

  0 80 1 33

,

·

,

2

·  W  = 0, 5 · 0, 80 · 1, 33 · 137, 24 = 73, 01N 

 

(20)

11  

7

Outputs

L = 68,65 N 

P  p = 10,34 N 

P eh eh = 30,17  N 

P l = 7,075 N 

P ev ev  = 15,74  N 

2 V V  V  = 25,9438  m/s

P a = 9,498  N 

12  

Referências BARROS, C. Uma metodologia para o desenvolvimento de projeto de aeronaves leves e subsônicas.  Belo Horizonte, 2001. ISCOLD, P. H. Introdução às cargas nas aeronaves.  Desenvolvimento de material didático ou instrucional , 2002. RODRIGUES, L. E. M. J.  Fundamentos da engenharia aeronáutica. [S.l.]: Cengage learning, 2013.