CLCULO PRELIMINAR DE CARGAS E ESTRUTURAS
CARGASFREDERICO MOL MARIO LOTT RODRIGO VILA VERDE
Aero DesignA Competio: Projetar e construir uma aeronave em escala reduzida, pilotado remotamente. Misso: levantar o maior peso possvel em carga, dentro de comprimentos delimitados de decolagem e pouso.PROJETO
COMPETIOVO
Itens da Avaliao de Projeto Relatrio (texto em 30 pginas): 80 pontos. Aerodinmica: 15 pontos Estruturas: 15 pontos Desempenho: 15 pontos (inclui pontuao do grfico!). Estabilidade e controle: 15 pontos Projeto: 20 pontos (inclui pontuao das plantas!)
Planta (trs vistas padro): Avaliada em Projeto!
Grfico - Carga til x Altitude Avaliado em Desempenho!
Apresentao Oral (15 minutos). 20 pontos.
Juzes - Diviso por Disciplinas Desempenho Cargas / Estruturas Aerodinmica Estabilidade/Controle Projeto
O que so Cargas?-Determinao de foras, momentos e esforos a qual a aeronave sujeita -Define as diretrizes iniciais e se estendem at fase de detalhamento -Atividade com interfaces multidisciplinarcas mi din ero penho A Inf. esem eD
CARGAS CARGAS Dimensionamento Dimensionamento Estrutural Estrutural
Pesos e C.G.
M
as sa
s
Aerodinmica / / Aerodinmica Propulso Propulso
Peso Peso
Def. Estrutural
Projeto Estrutural Projeto Estruturalral utu str ef. E D
Projeto de Projeto de Sistemas Sistemas
Importncia das CargasTraduz os requisitos de misso e eventos operacionais em informaes utilizveis por outros setores. Existem normas que direcionam a anlise de cargas (FAR, JAR Part-23, 25, RBHA)
Requisitos de Misso Eventos Operacionais
Anlise de cargas
Informao utilizvel Estruturas Sistemas Outros
Determina grande parte dos requisitos estruturais, de sistemas e de operao
Curso de Cargas
Tipos de Anlise de Cargas-Estticas:-Anlise de cargas atuantes em uma aeronave considerando condio de equilbrio esttico -No significa necessariamente vo reto nivelado
-Dinmicas-Cargas variantes no tempo
-Anlise de Fadiga-Estudo das cargas e seu nmero de ocorrncia
Diagrama de Peso e Centragem Mass (kg)21000 20000 Flight 19000 MLW 18000 17000 16000 15000 14000 13000 12000 11000 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 CG (% mac) Ground MZFW MRW MT OW
Determinao do centro de gravidade em relao a uma referncia Delimitao do envelope de passeio do CG Fundamental para verificao de estabilidade e controle Cumprimento de requisitos de desempenho Dimensionamento estruturalMaximum 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
Diagrama H-V Determina as condies de velocidade e altitude para as quais o avio ser projetadoE RJ 170 - Loop H1 D e s ig n S p e e d s - E A S v s . A ltitu d e14000
M a = M c = 0.82012000
M b = 0.70110000
M d = 0.89 0
Altitude (m)
V a = 123.5 E A S8000
V b = 138.9 CA S
V c = 164.6 CA S
Va Vb
6000
Vc Vd
4000
Vf 1 Vf 2 V f3
2000
V f 4, 5 Vf 6
0 5 0 ,0 7 0 ,0 9 0 ,0 1 1 0 ,0 1 3 0 ,0 1 5 0 ,0 1 7 0 ,0 1 9 0 ,0 2 1 0 ,0
E q u iv a le n t A irs p e e d (m /s )
V d = 192.9 CA S
Diagrama V-n Manobra
Diagrama V-n Manobra Determina as condies de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistirLimitao estrutural para fator de carga
Limite de stall
Limitao estrutural por velocidade
Diagrama de manobra
Diagrama V-n Rajada Determina as condies de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistirNz5 4.127 4 4.050 4.543 3.208 3 1.832 2.266 1.998 2.024 2.823 4.537
2
1
0 0 -1 10 20 30 40 50 60 70 80
-0.064 -0.061 0.04 90 100 110 120
EAS (m/s)-0.355 130 140 150 160 170 180 190 -1.099 200
-1.170 -2.266 -2.352 -2.220 -2.289
-2
-3 Flap 0 / 6096m Flap 22 / 6096m Flap 0 / 7040m Flap 45 / 6096m Flap 9 / 6096m Flap 18 / 6096m
Cargas no Solo Pouso Absoro de energia Aeronave com velocidade vertical e horizontal
Manobras Taxi, curvas, frenagem, etc
Configurao Triciclo
Configurao Convencional
Pouso Dinmico
Tipos de Anlise de Cargas-Corpo Rgido : (Cargas Estticas ) -Anlise de cargas atuantes em uma aeronave considerando condio de equilbrio esttico. No significa necessariamente vo reto nivelado.
Carga esttica: condies onde as foras externas esto em equilbrio com as foras de inrcia (avio rgido).
- Cargas variantes no tempo (rajada e manobra com histrico de tempo)
Tipos de Anlise de Cargas-Avio Flexvel : (Cargas Dinmicas)
Carga dinmica: condies onde as foras externas se encontram em equilbrio com as foras de inrcia associadas aos modos rgidos e flexveis (avio flexvel).
-Anlise de Fadiga -Estudo das cargas e seu nmero de ocorrncias ao longo da vida do avio.
Fases do Clculo de CargasDefinir Requisitos (Aeronutico ou prprio, com fatores de carga de manobra, razo de afundamento no pouso, fatores de segurana, etc) Congelar Dados Bsicos (Configurao, Peso, CG, Coeficientes Aerodinmicos, etc) Definir Velocidades (Diagrama H-V) Clculo das Respostas do Avio (Vo e Solo) (Foras Globais e Aceleraes atuantes, Diagrama V-n) Distribuio das cargas nos componentes principais (entenda-se: asa, fuselagem, EH, EV e trem de pouso). Grfico de esforos internos ao longo dos componentes (cortante, flexo, toro, normal nas direes de interesse).(A utilizao do Sistema Internacional de Unidades, assim como a definio de um sistema de referncia muito bem vinda para o melhor entendimento fsico do desenvolvimento e das analises)
Relatrios Cargas e Estruturas
Relatrios Cargas e Estruturas
Relatrios Cargas e Estruturas
ESTRUTURAS
ANDR SORESINI FBIO MASSUIA RAFAEL MORAES
Definies bsicas airframeAsa componentes estruturais bsicos Longarina: Principal componente da asa, para esta categoria, desde que utilizeuma asa com longarina;
Nervuras: Ajudam a dar forma para a asa, alm claro de ajudar a estrutura. Revestimento: Pode ou no ser estrutural, depende muito da concepoadotada da asa.
Reforadores: Muito pouco utilizados no Aerodesign. Ajudam a resistir aesforos axiais.
FuselagemResponsvel por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque de combustvel, etc.
Cauda Tail BoomElemento que liga a empenagem na fuselagem. Responsvel pela eficincia das superfcies de controle das empenagens.
Cargas Limite, Ultimate e MS Tenso Limite: Fim da regio linear, quando o material exibe mais do que 2% de deformao permanente. Tenso Ultimate: quando a material falha, no necessariamente igual a 1.5 * tenso limite (yield stress). Mas utilizamos este mtodo. Existem allowables de materiais (trao, compresso, cisalhamento) e allowables de propriedades geomtricas locais (crippling, buckling, etc). MS = Tenso 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!
Filosofias Estruturais: fail safe / safe life / damage tolerant Fail-Safe estrutura redundante; Safe-Life vida de projeto especfica; Tolerante ao Dano habilidade de resistir ao dano. Componente estrutural com as seguintes caractersticas: Os efeitos de impacto (qual tamanho, forma, fora causadores da falha estrutural); As condies requeridas para causar fadiga de metal; Habilidade de resistir fadiga (por quanto tempo uma estrutura resistir sob um certo tipo de carregamento); A resistncia residual da estrutura depois de ter superado impacto ou fadiga.
Eficincia Estrutural Estrutura eficiente aquela com o menor peso possvel para carregar a maior carga de projeto estipulada, sem falhar.
Possveis Ensaios Resistncia da asa Carga Mxima qual a mesma estar sujeita * fator de carga!
Distribuio de carga nos componentes Asa / Fuselagem / Empenagem Momento Fletor / Momento Toror / Fora Cortante Estes devem ser aplicados emMomento Fletor
Momento Fletor na Asa, Exemplo300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 -50000 -100000 -150000 -200000 -6 -5Cortante
Cortante na Asa, Exemplo100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 0 -10000 -20000 -30000 -40000 -50000 -6 -5Momento Toror 0 -10000 -20000 20000 10000
cada estao da Asa / Fuselagem / Empenagem.
Momento Toror na Asa, Exemplo
Caminho de carga
Por onde a carga vai, qual componente da asa, fuselagem ou empenagem ir receber a maior parcela do carregamento. Flutter na empenagem.
10000
-4
-3 -30000 Estao-40000 -50000 -60000 -6
-2
-1
0
-4
-3 Estaes da Asa
-2
-1
0
Efeitos Dinmicos
-5
-4
-3 Estao
-2
-1
0
Trem de pouso Cargas de pouso / soloComponentes horizontais e verticais devem ser aplicadas nos pontos corretos. Efeitos secundrios presentes.
Condies de Contorno (CC)Anlise Comparativa de CCAs condies de contorno so condies primordiais para qualquer modelagem, seja ela analtica ou por elementos finitos. Entender como a estrutura e como apoiada / fixada se torna essencial.Engastada
Apoio nas 4 bordas
2.0mm
Apoio em 2 bordas6.0mm
23.0mm
Modelamento Estrutural vs. Clculo Analtico Quando realizar anlise estrutural em EF? Quando a anlise analtica invivel e/ou onerosa; Para determinao de esforos (fora normal, fluxo de cisalhamento, etc.) que posteriormente so aplicados num clculo analtico! Ex. Longarina de asa ANALTICO
Carga axial nos reforadores analise analtica de trao e flambagem
Modelamento Estrutural vs. Clculo Analtico Exemplo de Anlise por Elementos Finitos.
FEM Mtodo de Elementos Finitos
FEM Mtodo de Elementos FinitosConceitos Gerais FEM separa a estrutura em diversos elementos da mesma estrutura; Os ns de cada elemento so reconectados como se ns fossem prendedores que mantm os elementos unidos; Os resultados so um conjunto de equaes algbricas simultneas.
Graus de Liberdade (DOF) Continuum: infinitos DOF; FEM: finitos DOF.
Aplicaes do FEM Entender como vrios elementos se comportam com formatos e carregamentos arbitrrios, condies de contorno; Possibilita a aplicao de restries complexas, as quais permitem que estruturas complexas sejam resolvidas.
Desvantagens do FEM FEM obtem apenas solues aproximadas; Muitos dados de entrada so necessrios.
Interpretao e Apresentao de Resultados
Azul sempre sinal de algo bom?! UNIDADES! resultado de algo bom?! O M.S. ou F.I. Allowables Critrios de sempre sinal faz sentido? Azul Falha resultado faz sentido? UNIDADES! O Critrios de Falha M.S. ou F.I. Allowables
Interpretao e Apresentao de Resultados Exemplo O que acontece aqui?Saber o que observar em um modelo de Elementos Finitos essencial. Qual o admissvel? O componente est bom ou no?
Interpretao e Apresentao de Resultados Outros Exemplos
Anlise Composto vs. MetlicoMaterial Composto: resultado de uma anlise ou de O que extrair de
outra? - Observar os ndices de falha em cisalhamento laminar ou entre lminas, relativos ao menor allowable utilizado.- Observar os maiores valores de deformao ou tenso (Limit Stress/Strain) e comparar com os allowables referentes s direes 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo. Material Metlico: - Observar tenses de escoamento (yield) e ruptura (ultimate); esmagamento (bearing); compresso (compression).
Seleo do Material Observar tipo de carregamento e qual material se adapta a esta condio: Carga de trao atuante; Carga de compresso; Cisalhamento.
Condies ambientais? Cargas cclicas?
Obrigado! Cargas:
Bibliografia Recomendada Resenha de Clculo de Peso e Centragem, Cargas e Estruturas Aeronave Acrobtica Leve Mario Lott (1989) Anexo Apostila Curso Tpicos 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