Cargas e Estruturas. Feito por: Fabiano / Massuia

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4

4 º

_º

F

_F

ó

_ó

rum SAE

_{rum SAE}

Aerodesign

_Aerodesign

2009

₂₀₀₉

Cargas e Estruturas

Feito por: Fabiano / Massuia

(2)

Í

ndice

Cargas:Cargas: O que O que éé... ImportânciaImportância InterfacesInterfaces FluxogramaFluxograma

CondiCondiçções de Vôoões de Vôo

Cargas nos ComponentesCargas nos Componentes

Cargas no Trem de PousoCargas no Trem de Pouso

EnsaiosEnsaios

Estruturas:Estruturas:

DefiniDefiniçções Bões Báásicassicas

Cargas Limite, Cargas Limite, UltimateUltimatee MSe MS

DistribuiDistribuiçção de carga nos componentesão de carga nos componentes

FEM FEM ––MMéétodo de Elementos Finitostodo de Elementos Finitos

AnAnáálise Composto lise Composto vsvs. Met. Metáálicolico

Ensaios EstruturaisEnsaios Estruturais

(3)

Cargas

(4)

O que

é

...

DeterminaDeterminaçção das cargas atuantes em todos os componentes da aeronave, de mão das cargas atuantes em todos os componentes da aeronave, de modo a permitir o odo a permitir o projeto e dimensionamento estrutural dos componentes, assim como

(5)

O que

é

...

AnAnáálise da interalise da interaçção arão ar--estrutura (cargas aerodinâmicas estrutura (cargas aerodinâmicas –– vibravibraçção da estrutura), visando garantir a ão da estrutura), visando garantir a estabilidade

estabilidade aeroelaeroeláásticasticada aeronave.da aeronave.

(6)

Importância

A anA anáálise de cargas e estabilidade lise de cargas e estabilidade aeroelaeroeláásticastica éé o primeiro passo no ciclo de projeto e ano primeiro passo no ciclo de projeto e anáálise lise estrutural de uma aeronave.

estrutural de uma aeronave.

As cargas definem a resistência necessAs cargas definem a resistência necessáária aos componentes estruturais da aeronave.ria aos componentes estruturais da aeronave.

A anA anáálise de estabilidade lise de estabilidade aeroelaeroeláásticastica define requisitos de rigidez e ou distribuidefine requisitos de rigidez e ou distribuiçção de massa da ão de massa da aeronave.

aeronave.

Ambas podem definir tambAmbas podem definir tambéém caracterm caracteríísticas dos sistemas da aeronave (arquitetura, confiabilidade, sticas dos sistemas da aeronave (arquitetura, confiabilidade, redundâncias, inspe

(7)

Interfaces

Cargas Estruturas Aerodinâmica Peso e Centragem Requisitos Operacionais

(8)

Fluxograma

Defini

Definiçção do Requisito Aeronão do Requisito Aeronááuticoutico

Modelamento

Modelamentoda Aeronaveda Aeronave

An

Anáálise de Cargaslise de Cargas Condi

Condiçções de Vôoões de Vôo

Diagrama V

Diagrama V--NN

Analise das Condi

Analise das Condiççõesões

Vôo (Manobra e Rajada) e Solo Vôo (Manobra e Rajada) e Solo

Carga nos Componentes Carga nos Componentes Asa, Fuselagem, Empenagens e TP Asa, Fuselagem, Empenagens e TP Ensaios

Ensaios Vôo e Estruturais Vôo e Estruturais

(9)

Condi

ç

ões de Vôo

Principais AtividadesPrincipais Atividades::

DefiniDefiniçção do envelope de vôo ão do envelope de vôo da aeronave (velocidades de

da aeronave (velocidades de

projeto e diagrama V

projeto e diagrama V--n).n).

AnAnáálise de todas as condilise de todas as condiçções ões de vôo (manobras e vôo em

de vôo (manobras e vôo em

turbulência), requeridas para

determina

(10)

Cargas nos Componentes

DeterminaDeterminaçção de cargas nos ão de cargas nos diversos componentes da

diversos componentes da

aeronave, para as condi

aeronave, para as condiçções de ões de vôo e solo nas quais os efeitos

vôo e solo nas quais os efeitos

dinâmicos podem ser

desconsiderados.

DeterminaDeterminaçção das condião das condiçções ões extremas para os diversos

extremas para os diversos

crit

critéérios de anrios de anáálise estrutural lise estrutural est

estáática.tica.

-300000 -200000 -100000 0 100000 200000 300000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ZV - (m) B M ( N -m ) Loop D1

(11)

Cargas no Trem de Pouso

Projeto e estudo de regulagens Projeto e estudo de regulagens do trem de pouso.

do trem de pouso.

AnAnáálise das condilise das condiçções de solo ões de solo (pouso, t

(pouso, tááxi e manobras no solo), xi e manobras no solo), necess

necessáárias para determinarias para determinaçção de ão de cargas na estrutura.

(12)

Ensaios

Ensaios em tEnsaios em túúnelnel

Cargas, Cargas, distrdistr. pressão . pressão

FlutterFlutter

Ensaios em vôoEnsaios em vôo

Cargas em vôoCargas em vôo

FlutterFlutter, , buffetingbuffeting

Ensaios no soloEnsaios no solo

Queda livre trens de pousoQueda livre trens de pouso

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Estruturas

(14)

Defini

ç

ões B

á

sicas

Asa Asa ––componentes estruturais bcomponentes estruturais báásicossicos

LongarinaLongarina: Principal componente da asa, para esta categoria, desde que ut: Principal componente da asa, para esta categoria, desde que utilize uma asa com ilize uma asa com longarina

longarina; ;

Nervuras: Ajudam a dar forma para a asa, alNervuras: Ajudam a dar forma para a asa, aléém m éé claro de ajudar a estrutura.claro de ajudar a estrutura.

Revestimento: Pode ou não ser estrutural, depende muito da concRevestimento: Pode ou não ser estrutural, depende muito da concepepçção adotada da asa.ão adotada da asa.

ReforReforççadores: Muito pouco utilizados no adores: Muito pouco utilizados no AerodesignAerodesign. Ajudam a resistir a esfor. Ajudam a resistir a esforçços axiais.os axiais.

FuselagemFuselagem

ResponsResponsáável por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque devel por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque decombustcombustíível, etc.vel, etc.

Cauda Cauda –– TailTailBoomBoom

Elemento que liga a empenagem na fuselagem. ResponsElemento que liga a empenagem na fuselagem. Responsáável pela eficiência das superfvel pela eficiência das superfíícies de cies de controle das empenagens.

(15)

Cargas Limite,

Ultimate

e MS

Tensão Limite: Fim da região linear, quando o material exibe maTensão Limite: Fim da região linear, quando o material exibe mais do que 2% de deformais do que 2% de deformaçção ão permanente.

permanente.

Tensão Tensão UltimateUltimate: quando a material falha, não necessariamente igual a 1.5 * ten: quando a material falha, não necessariamente igual a 1.5 * tensão limite (são limite (yieldyield stress). Mas utilizamos este m

stress). Mas utilizamos este méétodo.todo.

Existem Existem ““allowablesallowables”” de materiais (trade materiais (traçção, compressão, cisalhamento) e ão, compressão, cisalhamento) e ““allowablesallowables”” de propriedades de propriedades geom

geoméétricas locais (tricas locais (cripplingcrippling, , bucklingbuckling, etc)., etc).

MS = Tensão Aplicada / MS = Tensão Aplicada / AllowableAllowable –– 1 1 →→ MS deve ser maior que zero. Todos os valores menores MS deve ser maior que zero. Todos os valores menores que 0.5 devem ser analisados cuidadosamente para valores correto

que 0.5 devem ser analisados cuidadosamente para valores corretos de carga e allowables. s de carga e allowables.

(16)

Distribui

ç

ão de carga nos componentes

Asa / Fuselagem / EmpenagemAsa / Fuselagem / Empenagem

Momento Momento FletorFletor / Momento / Momento TorTorççoror / For/ Forçça a Cortante

Cortante →→ Estes devem ser aplicados em cada Estes devem ser aplicados em cada esta

estaçção da Asa / Fuselagem / Empenagem.ão da Asa / Fuselagem / Empenagem.

Caminho de carga Caminho de carga

_→

Por onde a carga vai, qual Por onde a carga vai, qual componente da asa, fuselagem ou empenagem ir

componente da asa, fuselagem ou empenagem iráá receber a maior parcela do carregamento.

receber a maior parcela do carregamento.

Efeitos Dinâmicos Efeitos Dinâmicos

→

_→

FlutterFlutterna empenagem.na empenagem.

Trem de pousoTrem de pouso

Cargas de pouso / solo Cargas de pouso / solo

→

_→

Componentes Componentes horizontais e verticais devem ser aplicadas nos

horizontais e verticais devem ser aplicadas nos

pontos corretos. Efeitos secund

pontos corretos. Efeitos secundáários presentes.rios presentes.

Momento Fletor na Asa, Exemplo -200000 -150000 -100000 -50000 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Estação M o m e n to F le to r

Cortante na Asa, Exemplo

-50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Estações da Asa C o rt a n te

Momento Torçor na Asa, Exemplo -60000 -50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Estação M o m e n to T o rç o r

(17)

FEM

–

M

é

todo de Elementos Finitos

Conceitos GeraisConceitos Gerais

FEMFEMsepara a estrutura em diversos elementos da mesma estrutura;separa a estrutura em diversos elementos da mesma estrutura;

Os nOs nóós de cada elemento são reconectados como se ns de cada elemento são reconectados como se nóós fossem prendedores que mantêm os s fossem prendedores que mantêm os elementos unidos;

elementos unidos;

Os resultados são um conjunto de equaOs resultados são um conjunto de equaçções algões algéébricas simultâneas.bricas simultâneas.

Graus de Liberdade (DOF)Graus de Liberdade (DOF)

Continuum: infinitos DOF;Continuum: infinitos DOF;

FEMFEM: finitos DOF.: finitos DOF.

AplicaAplicaçções do FEMões do FEM

Entender como vEntender como váários elementos se comportam com formatos e carregamentos arbitrrios elementos se comportam com formatos e carregamentos arbitráários, rios, condi

condiçções de contorno;ões de contorno;

Possibilita a aplicaPossibilita a aplicaçção de restrião de restriçções complexas, as quais permitem que estruturas complexas ões complexas, as quais permitem que estruturas complexas sejam resolvidas.

sejam resolvidas.

Desvantagens do FEMDesvantagens do FEM

FEMFEMobtobtéém apenas solum apenas soluçções aproximadas;ões aproximadas;

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An

á

lise Composto

vs

. Met

á

lico

Material Composto: Material Composto:

Observar os Observar os ííndices de falha em cisalhamento laminar ou entre lâminas, relatindices de falha em cisalhamento laminar ou entre lâminas, relativos ao menor vos ao menor allowable

allowable utilizado. utilizado.

Observar os maiores valores de deformaObservar os maiores valores de deformaçção ou tensão (ão ou tensão (LimitLimit Stress/StrainStress/Strain) e comparar com os ) e comparar com os allowables referentes

allowables referentes ààs dires direçções 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo.ões 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo.

Material MetMaterial Metáálico:lico:

Observar tensões de escoamento (Observar tensões de escoamento (yieldyield) e ruptura () e ruptura (ultimateultimate); esmagamento (); esmagamento (bearingbearing); ); compressão (

(19)

Ensaios Estruturais

Levantar admissLevantar admissíível dos materiais;vel dos materiais;

Comportamento dos elementos estruturais;Comportamento dos elementos estruturais;

Verificar detalhes de projetos;Verificar detalhes de projetos;

(20)

Ensaios Estruturais

(21)

Referencias Bibliogr

(22)

Cargas:Cargas:

Resenha de CResenha de Cáálculo de Peso e lculo de Peso e CentragemCentragem, Cargas e Estruturas Aeronave Acrob, Cargas e Estruturas Aeronave Acrobáática Leve tica Leve –– Mario

Mario LottLott(1989)(1989)

Apostila Curso TApostila Curso Tóópicos especiais em Cargas e picos especiais em Cargas e AeroelasticidadeAeroelasticidade (programa PEE (programa PEE –– EMBRAER) EMBRAER) (34Mb) <

(34Mb) <http://www.demec.ufmg.br/Cea/Bibliografia/cargasnasaeronaveshttp://www.demec.ufmg.br/Cea/Bibliografia/cargasnasaeronaves..pdfpdf>>

T. T. LomaxLomax, , StructuralStructuralloadsloadsanalysisanalysisfor for commercialcommercialtransporttransportaircraftaircraft: : TheoryTheoryandandpracticepractice..

RaymerRaymer D. P (1982) D. P (1982) AircraftAircraft design a Conceptual Approach. AIAA Educacional series design a Conceptual Approach. AIAA Educacional series

AircraftAircraft StructuralStructural LoadsLoads: : RequirementsRequirements, , AnalysisAnalysis, , TestingTesting, , andand CertificationCertification <

<http://www.continuinged.ku.edu/aero/coursehttp://www.continuinged.ku.edu/aero/course..phpphp??aid=6aid=6>>

Estruturas:Estruturas:

NIUNIU, Michael , Michael ChunChun--YungYung::

AirframeAirframeStructuralStructuralDesign;Design;

AirframeAirframeStress Stress AnalysisAnalysisandandSizingSizing;;

CompositeCompositeAirframeAirframeStructuresStructures;;

BRUHNBRUHN, E. F., , E. F., AnalysisAnalysisandandDesign of Design of FlightFlight VehicleVehicleStructuresStructures..

JONES, Robert M., JONES, Robert M., MechanicsMechanicsof of CompositeCompositeMaterialsMaterials

Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMetallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS) MPDS) ––Materiais MetMateriais Metáálicoslicos

MilMil--HDBKHDBK17 17 –– Materiais CompMateriais Compóósitossitos

Geral:Geral: