DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE NUMÉRICA DE UM CONJUNTO DE TREM DE POUSO PARA AERODESIGN - ESTUDO DE CASO DO MODELO CV0517

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DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE NUMÉRICA DE UM CONJUNTO DE TREM DE POUSO PARA AERODESIGN - ESTUDO DE CASO DO MODELO CV0517

Marcilene V. da Nobrega (Nóbrega, M.V.)

Universidade Federal Rural do Semi - Árido – UFERSA Ingrid Rebouças de Moura (Moura, I.R)

Universidade Federal Rural do Semi - Árido – UFERSA Yasmin D. de Araújo (Araújo, Y.D.)

Universidade Federal Rural do Semi - Árido – UFERSA Arthur Vitor S. S. Lima (Lima, A.V.S.S)

Universidade Federal Rural do Semi - Árido – UFERSA Pedro V. N. de Lima (Lima, P.V.N.)

Pedro.vinicius102@hotmail.com

Universidade Federal Rural do Semi - Árido – UFERSA

Rua Eudes Laura Menezes, Nº 63, Presidente Costa e Silva – Cep 59625-290 – Mossoró/ RN Cel: (84) 99623 7256

RESUMO

O estudo de cargas e estruturas de uma aeronave é crucial para construção da mesma e dentro desses vários componentes que a constituem está o trem de pouso, junto com o trem no nariz. Assim, pretende-se por meio deste estudo realizar o dimensionamento e análise numérica do carregamento do conjunto de trem de pouso de um veículo aéreo não tripulado (VANT) da Equipe Calango Voador Aerodesign de 2017. Para que esta análise fosse possível, era preciso fazer a caracterização do material utilizado no trem de pouso principal que se trata de um compósito laminado de madeira balsa e fibra de carbono (manta), utilizando resina epóxi como aglomerante. A adoção de um material compósito levou a resultados mais favoráveis quanto ao peso e a resistência proporcionada pela junção dos materiais. Através da simulação numérica foi observado que o material escolhido não iria escoar ou sofrer deformações maiores que o admissível.

Palavras chaves: Aeronave, Trem de Pouso, Simulação, Dimensionamento. 1- INTRODUÇÃO

A competição Sae Brasil Aerodesign acontece desde 1999 e se trata de um desafio lançado aos estudantes de engenharia, que tem como intuito difundir os conhecimentos sobre a engenharia aeronáutica entre estudantes e profissionais da

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Possuir uma estrutura capaz de suportar com eficiência todas as cargas do projeto é, sem dúvida, a principal meta dentro da competição. Além disso, é necessário que os materiais estruturais se ajustem às necessidades financeiras da equipe. Rodrigues (2015) afirma que o trem de pouso, junto com o trem no nariz, são as estruturas responsáveis por suportar todas as cargas da aeronave em solo. Além disso, também absorvem toda a carga de impacto gerada pelo pouso da aeronave.

A definição da configuração da aeronave depende da escolha do tipo de trem de pouso, sendo esta uma das premissas de projeto. Em concordância com Barros (2000), a configuração triciclo fixa apresenta como vantagem grande facilidade de pouso, sendo esta adotada para o CV0517. O critério utilizado para o dimensionamento levou em consideração apenas a análise estática.

Desta maneira, o presente artigo busca por meio da caracterização das propriedades do material obtidas em ensaio de laboratório realizar o dimensionamento da estrutura. Será realizada a determinação das cargas atuantes sobre ela em condições de pouso sobre uma, duas e três rodas, de maneira a contribuir com o projeto de aeronaves da Equipe Calango Voador Aerodesign da Universidade Federal Rural do Semi-Árido – Campus Angicos, tomando como base de estudo a aeronave CV0315, classe micro, utilizada na competição de 2015.

2- MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Conjunto trem de pouso da aeronave CV0517

O trem de pouso inicialmente idealizado era de alumínio, uma vez que este material oferece uma boa resistência e baixo peso específico a um custo acessível. Porém, dificuldades na sua disposição e fixação na fuselagem levaram a equipe a buscar uma outra configuração. A solução escolhida foi fabricar o trem de pouso em compósito laminado de fibra de carbono, madeira balsa e resina, sendo, ainda, fixado na asa (Figura 1) e apresentando vantagem em relação ao peso do trem de pouso idealizado anteriormente.

23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

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Figura 1 – Configuração do Trem Principal

A aeronave CV0517 possui três rodas, caracterizando um modelo triciclo, onde duas estão localizadas no trem de pouso principal e uma no trem de nariz.

2.2. Determinação das Propriedades dos Materiais

A etapa de seleção dos materiais constitui-se uma das principais fases do projeto de concepção de uma aeronave. Muitas vezes um material com excelentes características estruturais é inviável de ser utilizado devido ao seu peso ou custo excessivos. O inverso também ocorre, podendo um material possuir uma densidade muito baixa, porém ser deficiente no que se diz respeito às suas qualidades estruturais. Visando isso, é interessante buscar uma solução intermediária, com o objetivo de mesclar leveza e resistência a um custo acessível.

Durante a escolha do material que iria constituir o trem de pouso principal buscou-se uma estrutura que pudesse atender aos requisitos comentados anteriormente. Optou-se, para tanto, pela utilização de compósitos laminados de madeira balsa e fibra de carbono (manta), utilizando a resina epóxi como aglomerante. A baixíssima densidade da madeira balsa e a elevada resistência da fibra de carbono e da resina epóxi conferem a este material características altamente satisfatórias.

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A quantidade de madeira balsa utilizada para a construção do trem de pouso foi, por motivo de resistência, maior do que o que foi utilizado em outros componentes. Logo, através do ensaio de tração seguindo as orientações da norma ASTM 3039 - Standard

Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, obtivemos

os dados de módulo de elasticidade e limite de resistência a ruptura do material. Como já mencionando, para a determinação do módulo de elasticidade e do limite de resistência à ruptura do material do trem principal, realizou-se um ensaio de tração seguindo os pressupostos da norma ASTM 3039. A principal dificuldade na realização deste ensaio ocorreu devido ao fato de, em alguns corpos de prova, haver um leve escorregamento entre a garra e o material ensaiado. Para evitar esse escorregamento e o esmagamento da peça por compressão da garra, a norma ASTM 3039 recomenda o uso de tabs que são fixados nas extremidades dos corpos de prova. Por não dispor destes tabs, eles não foram utilizados no ensaio e este fato pode ter sido responsável pelo baixo valor de módulo de elasticidade encontrado. Além disto, segundo Nasseh (2011), as fibras de carbono possuem propriedades mecânicas e seus sistemas de produção variantes dependendo da empresa fabricante. São produzidas através da poliacrilonitrila, e dependendo do tipo de tratamento recebido pela fibra básica (carbonização, oxidação ou grafitização) é possível fabricar fibras com variadas configurações de resistência e de módulo de elasticidade.

Para os ensaios dos 5 corpos de prova foi utilizada a máquina de tração disponível no laboratório da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). Os corpos de prova foram ensaiados até a sua fratura, com uma velocidade de deslocamento constante de 2mm/min. A própria máquina gera, para cada CP, a força de resistente do material à medida que o deslocamento avança. Isto nos permite a criação de um diagrama tensão deformação para o material. Analisando este diagrama, podemos obter o módulo de elasticidade e o limite de resistência à ruptura do CP.

Obteve-se um módulo de elasticidade de 3GPa e limite de resistência a ruptura de 27,38 Mpa. Apesar destes baixos valores, diante da simulação as estruturas mostraram resistir bem aos esforços solicitados.

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Figura 2 - Corpos de provas utilizados no ensaio de tração

2.3. Procedimento para o Cálculo Estrutural do Trem de Pouso

Inicialmente, para realização de um dimensionamento preciso da estrutura, foram determinadas as cargas atuantes sobre ela em condições de pouso sobre uma, duas e três rodas, através dos dados calculados na Tabela 1.

Tabela 1: Dados para determinação das cargas no trem de pouso. Dados de Entrada

Distância trem no nariz -CG (m) 0,32

Distância Trem de pouso-CG (m) 0,06

Distância trem no nariz -Trem de pouso (m) 0,38 Fator de carga de reação do solo (PADRÃO) 2,00

Carga total da aeronave (N) 49,05

Gravidade (m/s²) 9,81

Área da asa (m²) 0,48

Dados de Saída

Carga estática sobre a roda de nariz (N) 7,67

Sustentação (N) 32,72

Fator de carga de inércia 2,67

Altura da queda livre (h) 0,13

Carga estática sobre o trem de pouso 41,38

As cargas são obtidas através do equilíbrio de momentos da aeronave em solo. O estudo das cargas foi fundamentado nos requisitos da Norma FAR Part 23 onde se

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é adotado o fator de carga vertical de 2,5 e o fator de carga horizontal equivalente a 40% do vertical.

Concluída a etapa de definição dos carregamentos, foi considerada para a análise a condição de pouso em 2 rodas. Em cada roda considera-se um componente vertical e horizontal, respectivamente. As condições de contorno dizem respeito à fixação dos perfis na longarina da asa, ou seja, restrição de todos os deslocamentos na parte superior da longarina.

3- RESULTADOS

3.1. Análise Numérica de Carregamento no Trem Principal

A partir dos dados iniciais obtidos por meio das outras áreas de estudo do aerodesign foi possível chegar nas três situações críticas de pouso, mostradas nas Tabelas a seguir:

Tabela 2: Determinação das cargas atuantes no trem de pouso principal.

Roda traseira direita Roda traseira esquerda

Situação de pouso

Vertical (N) Horizontal (N) Vertical (N) Horizontal (N)

3 Rodas 51,73 20,69 51,73 20,69

2 Rodas 61,31 24,53 61,31 24,53

1 roda 122,63 49,05 122,64 49,05

Tabela 3: Determinação das cargas atuantes no trem do nariz. Força Vertical (N) Arrasto para trás (Dn) Força para frente (Fn) Força lateral (Sn) 1 Roda 17,25 13,80 6,90 12,08

Como já mencionado, segundo a norma FAR Part 23, consideramos a situação de pouso em duas rodas. Neste caso, as restrições e condições de carregamento utilizadas na análise do trem principal correspondem, conforme a Tabela 2, aos valores de 61,31 N na componente vertical e 24,53 N na componente horizontal.

Após determinadas as cargas atuantes, pode-se gerar o modelo numérico de modo a prever as tensões existentes no trem principal. Para isto, utilizou-se o auxílio do software Autodesk Inventor 2017®. Após a aplicação das cargas, a solução foi gerada como apresentada na Figura 2, onde pode ser observado o local de máxima tensão equivalente de Von Misses. Os resultados estão exibidos na Tabela 4, onde se observa a região circulada em amarelo, uma concentração de tensão em um dos parafusos que fixam a roda ao eixo do trem principal.

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Figura 3- Região de concentração de máxima tensão para o trem principal Tabela 4-Resultados para o trem principal

RESULTADOS

TENSÃO DE VON MISSES 119 MPA

DESLOCAMENTO 0,05 mm

FATOR DE SEGURANÇA 1,75 (Min.)

Por meio da máxima tensão equivalente de Von Misses obtida na simulação, conclui-se que o material não irá escoar (σesc > σmáx), pois a tensão encontrada é

menor do que a tensão de escoamento do aço suave (207 MPa), apresentando um deslocamento de 0,05mm para as condições estabelecidas na análise e um alto valor de coeficiente de segurança, onde se pode deduzir que o trem de pouso irá resistir bem aos esforços solicitados.

3.3. Análise Numérica de Carregamento no Trem no Nariz

Para a realização da análise foi estipulado dois vetores de forças. Um na vertical (Vn=17,25N) e outro na horizontal (Fn=6,9N). As condições de contorno dizem

respeito à fixação rígida do cubo de encaixe do eixo do garfo no corpo da aeronave, uma configuração parecida foi utilizada na aeronave de 2015, porém sem a inclinação

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Desta forma para o trem do nariz a tensão atuante também foi obtida com a simulação pelo método de elementos finitos com o auxílio do software Autodesk

Inventor 2017®. A simulação é exibida na Figura 3, mostrando o local de máxima

concentração de tensão, e o resumo dos resultados são mostrados na Tabela 5.

Figura 4 - Região de concentração de máxima tensão para o trem no nariz Tabela 5 - Resultados para o trem no nariz

RESULTADOS

TENSÃO DE VON MISSES 737,4MPa

DESLOCAMENTO 0,7681mm

FATOR DE SEGURANÇA 0,28 (Min.)

A partir dos dados obtidos, conclui-se que houve escoamento no parafuso, porém não houve a ruptura e apesar do baixo valor de fator de segurança, seu deslocamento máximo foi de 0,7681mm.

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4- CONCLUSÕES

De acordo com os resultados obtidos, pôde-se observar que o compósito laminado composto de madeira balsa, fibra de carbono e resina possui excelentes características estruturais, mesclando leveza e alta resistência. Como um dos principais objetivos da competição SAE Brasil Aerodesign é, exatamente, construir uma aeronave capaz de resistir aos esforços solicitantes a um baixo custo, conclui-se que o compósito é ideal para o propósito ao qual foi testado.

Com relação ao material do trem no nariz, houve escoamento apenas no material de um dos parafusos. Apesar disto, o deslocamento não foi excessivo e a estrutura conseguiu resistir com êxito aos esforços solicitantes.

5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1- AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D3039: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, West Conshohocken: Pa, 2008.

2- BARROS, C. P.; PINTO R.L.; ISCOLD P.H. Uma metodologia para desenvolvimento de aeronaves leves subsônicas. In: Congresso da Society of Automotive Engineers (SAE) Brasil, 2000, São Paulo. Belo Horizonte: Centro de estudos aeronáutico da UFMG, 2000, p. 4-13.

3- FEDERAL AVIATION REGULATIONS, Part 23 Airworthiness standarts: normal, utility, acrobatic, and commuter category airplanes, USA.

4- NASSEH, J... Manual de Construção de Barcos, 4 ed. Rio de Janeiro, 2011, 660 p.

5- RODRIGUES, L.E.M.J. Fundamentos da Engenharia Aeronáutica: Aplicações ao Projeto SAE-AeroDesign. 1.ed. rev.-Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo. São Paulo: Edição do Autor,2014.

TITLE

DIMENSIONING AND NUMERICAL ANALYSIS OF A TRAFFIC ASSEMBLY FOR AERODESIGN - MODEL CV0517 CASE STUDY

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The study of loads and structures of an aircraft is crucial for its construction and within these several components that constitute it is the landing gear, along with the train in the nose. The aim of this study is to carry out the sizing and numerical analysis of the loading of the landing gear set of an unmanned aerial vehicle (UAV) of the 2017 Flying Calavera Flying Team. In order to make this analysis possible, characterization of the material used in the main landing gear which is a composite laminated balsa wood and carbon fiber (blanket), using epoxy resin as a binder. The adoption of a composite material led to more favorable results on the weight and strength provided by the joining of the materials. Through the numerical simulation it was observed that the chosen material would not leak or suffer deformations larger than the admissible.

Keywords: Aircraft, Landing Gear, Simulation, Sizing.