Universidad Politécnica de Madrid ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS PREDICCIÓN DE LA VELOCIDAD CRÍTICA DE FLAMEO MEDIANTE EL USO DE MODELOS AEROELÁSTICOS EXTRAPOLADOS EN TIEMPO REAL CON DATOS DE VUELO Tesis Doctoral José Leopoldo Casado Corpas Ingeniero Aeronáutico 2014
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Universidad Politécnica de Madrid
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS
PREDICCIÓN DE LA VELOCIDAD CRÍTICA DE
FLAMEO MEDIANTE EL USO DE MODELOS
AEROELÁSTICOS EXTRAPOLADOS EN TIEMPO
REAL CON DATOS DE VUELO
Tesis Doctoral
José Leopoldo Casado Corpas
Ingeniero Aeronáutico
2014
DEPARTAMENTO DE VEHÍCULOS AEROESPACIALES
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS
PREDICCIÓN DE LA VELOCIDAD CRÍTICA DE
FLAMEO MEDIANTE EL USO DE MODELOS
AEROELÁSTICOS EXTRAPOLADOS EN TIEMPO
REAL CON DATOS DE VUELO
Autor
José Leopoldo Casado Corpas
Ingeniero Aeronáutico
Directores de Tesis
Alfredo Sanz Lobera
José Meseguer Ruiz Doctor Ingeniero Industrial Doctor Ingeniero Aeronáutico
Clase Organismo y Centro de expedición Fecha de expedición Calificación
INGENIERO AERONÁUTICO UPM-ETSIA 27 Enero 1995 NOTABLE
ING. ENSAYOS EN VUELO Test Pilot School (USAF) 9 Junio 2001 OUTSTANDING
SUFICIENCIA INVESTIGADORA UPM-ETSIA Septiembre 2004 APTO
3. ACTIVIDAD EN EMPRESAS Y PROFESIÓN LIBRE
- Agosto 1993 – Agosto 1994: Colaborador técnico en el desarrollo de una tobera convergente-divergente
direccional para aviones de combate avanzados en la empresa SENER, Ingeniería y Sistemas.
- Enero 1995 – Agosto 1997: Ingeniero de Proyectos en la empresa SENER, Ingeniería y Sistemas, participando en
los siguientes Programas: MINISAT (AOCS y Simulación), BABAC (Blanco Aéreo No Tripulado) y MULTIMISSION (Satélite MultiPropósito).
- Agosto 1998 - Abril 2000: Ingeniero de Mantenimiento en Sistemas de Avión F-18, ejerciendo labores de
Ingeniería, Control de Calidad y Aeronavegabilidad.
- Agosto 2001 – Diciembre 2008: Ingeniero de Ensayos en Vuelo participando en los siguientes Programas: Integración Hardware de misiles A/A en la plataforma F-18, Validación y Verificación de Software embarcado en las plataformas F-18M, F-1M y F-5M, Análisis de las Actuaciones y Cualidades de Vuelo de los aviones C-212-200 y C-295.
- Desde Septiembre 2004: Profesor Asociado de Fabricación y Organización de la Producción en el Departamento
de Materiales y Producción Aeroespacial de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos.
- Enero 2009 – Mayo 2012: Ingeniero de Ensayos en Vuelo en la compañía EADS-CASA asignado a los programas
C295 y A400M.
- Desde Mayo 2012: Ingeniero de Seguridad en Vuelo (derivados militares de A330) encuadrado en el Departamento
de ‘Product and Flight Safety’ de Airbus Military.
4. CURSOS Y SEMINARIOS RECIBIDOS [I]
- “Familiarización en Sistemas del Avión F-5”, Ala 23, Base Aérea de Talavera La Real (Badajoz), Octubre 1994.
- “Análisis y Diseño de Sistemas de Control Avanzados para Plataformas Aeroespaciales”, CNES, Toulouse
(Francia), Abril 1997.
- “Familiarización en Sistemas del Avión F/A-18”, Ala 15, Base Aérea de Zaragoza (Zaragoza), Septiembre 1998.
- “Flutter Analysis and Advanced Aeroelastic Topics using MSC.NASTRAN”, MSC Institute Of Technology, Madrid, Marzo y Junio 2002
4-bis. CURSOS Y SEMINARIOS RECIBIDOS [II]
- “JAR-145”, EUITA, UPM, 7 al 10 de Octubre 2002.
- “Implementación de un Sistema de Calidad en la Industria Aeronáutica”, EUITA, UPM, Octubre 2002.
- “Extensiometría y Técnicas Experimentales”, Englobe Technologies, Madrid, Diciembre 2002.
- “Fuel Tank Safety Level I”, E-learning Swiss Aviation Training, 2-3 Agosto 2010.
- “Fuel Tank Safety Level II”, E-learning Swiss Aviation Training, 4-7 Agosto 2010.
- “Maintenance Human Factors”, E-learning Swiss Aviation Training, 9-14 Agosto 2010.
- “EASA Parte 145”, COIAE (Colegio Oficial de Ingenieros Aeronáuticos de España), 21-23 Marzo 2011.
- “Aircraft Accident Investigation”, Cranfield University (UK), 14 Mayo 2012 – 22 Junio 2012
- “Accident Investigation Course‟, Air Inc. Canada, 11 Diciembre 2012-18 Diciembre 2012
- “Flight Data Monitoring in the Commercial Aviation”, Cranfield University (UK), 25-29 Febrero 2013
- “Safety Assessment of Aircraft Systems”, Cranfield University (UK), 24-28 Junio 2013
5. PUBLICACIONES (Artículos)
- “Flutter Margin with Non-Linearities: Real Time Prediction of Flutter Onset Speed”, Journal Of Aerospace Engineering, Vol. 222, Part G, April 2008.
6. COMUNICACIONES PRESENTADAS A CONGRESOS
- “MiniSOB AOCS Design”, International Workshop on Spacecraft Attitude and Orbit Control Systems (CNES,
Toulouse, Francia), 16 Septiembre 1997. - “Instrumentación y Análisis del Tren de Aterrizaje Principal del Avión F/A-18”, en colaboración con la
Universidad de Zaragoza, Abril 2000.
- “Aplicación del MAC (Modal Assurance Criteria) en el Análisis del Flameo”, Congresso de Métodos
Computacionais em Engenharia (CMCE 2004, Lisboa, Portugal), 2 Junio 2004.
7. IDIOMAS
- INGLÉS, nivel alto, hablado y escrito.
- FRANCÉS, nivel medio, hablado y escrito.
8. HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS
- OFIMÁTICAS: Suite Microsoft [Word, Excel, PowerPoint]. - CÁLCULO: MatLab, MSC NASTRAN, FlightLoads.
9. OTROS MÉRITOS
- Piloto Privado de Avión [210 horas], con Licencia EASA en vigor, expedida el 23 de Septiembre de 1996. - 1110 horas de vuelo como Tripulante en diversas plataformas aéreas, incluyendo: C-101, C-212, CN-235,
Figura 1.1 – Fases que componen la investigación aeroelástica (aeronave de nueva construcción) ........................ 2
Figura 1.2 – Reparto Esfuerzo-Coste en las áreas de Análisis y Validación-Cualificación ................................... 10
Figura 1.3 – Esquema general de la Tesis .............................................................................................................. 13
Figura 3.1. – Triángulo de Collar ........................................................................................................................... 55
Figura 3.2. – Modelo aeroelástico bidimensional. Muelles con rigidez lineal+cúbica .......................................... 60
Figura 3.3 – Modelos de la fuerza de torsión (izda.) y de flexión (dcha.) .............................................................. 61
Figura 3.4 – LCO en el plano de fase (negro) / Condición degradada convergencia (gris) ................................... 66
Figura 3.5 – Diagrama de estabilidad de Mathieu. Familia de rectas que definen un modelo 2D simplificado .... 72
Figura 4.1 – Simulador aeroelástico - Nivel superior ............................................................................................. 78
Figura 4.2 – Simulador aeroelástico - Nivel intermedio ........................................................................................ 79
Figura 4.3 – Simulador aeroelástico - Nivel inferior .............................................................................................. 80
Figura 4.4 - Simulación aeroelástica bidimensional [sin holgura]: Margen de flameo .......................................... 86
Figura 4.5 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o / Margen de flameo ................ 93
Figura 5.1 – F/A-18 (en la imagen, un F/A-18 perteneciente al Ejército del Aire) ................................................ 96
Figura 5.2 – Unidad de Control (FECU, Flight Exciter Control Unit) ................................................................. 97
Figura 5.3 – Disposición de Sensores en el artículo de Ensayos ............................................................................ 98
Figura B.1.1 – PSD: Alerón izquierdo [0.60 M, FL080, 75% FreqRef] .............................................................. 128
Figura B.1.2– PSD: Momento flector – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 75% FreqRef] .......................................... 129
Figura B.1.3– PSD: Momento torsor – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 75% FreqRef] ........................................... 130
Figura B.1.4– PSD: Aceleración punta de plano (FWD/REAR) [0.60 M, FL080, 75% FreqRef] ...................... 131
Figura B.1.5 – PSD: Alerón izquierdo [0.60 M, FL080, 85% FreqRef] .............................................................. 132
Figura B.1.6– PSD: Momento flector – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 85% FreqRef] .......................................... 133
Figura B.1.7– PSD: Momento torsor – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 85% FreqRef] ........................................... 134
Figura B.1.8– PSD: Aceleración punta de plano (FWD/REAR) [0.60 M, FL080, 85% FreqRef] ...................... 135
Figura B.1.9 – PSD: Alerón izquierdo [0.60 M, FL080, 100% FreqRef] ............................................................ 136
Figura B.1.10 – PSD: Momento flector – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 100% FreqRef] ..................................... 137
Figura B.1.11 – PSD: Momento torsor – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 100% FreqRef] ...................................... 138
Figura B.1.12 – PSD: Aceleración punta de plano (FWD/REAR) [0.60 M, FL080, 100% FreqRef] ................. 139
Figura B.1.13 – PSD: Alerón izquierdo [0.60 M, FL080, 115% FreqRef] .......................................................... 140
Figura B.1.14– PSD: Momento flector – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 115% FreqRef] ...................................... 141
Figura B.1.15 – PSD: Momento torsor – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 115% FreqRef] ...................................... 142
Figura B.1.16– PSD: Aceleración punta de plano (FWD/REAR) [0.60 M, FL080, 115% FreqRef].................. 143
Figura B.1.17 – PSD: Alerón izquierdo [0.60 M, FL080, 125% FreqRef] ......................................................... 144
Figura B.1.18 – PSD: Momento flector – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 125% FreqRef] .................................... 145
Figura B.1.19 – PSD: Momento torsor – Raiz de ala [0.60 M, FL080, 125% FreqRef] ..................................... 146
Figura B.1.20 – PSD: Aceleración punta de plano (FWD/REAR) [0.60 M, FL080, 125% FreqRef] ................. 147
Figura B.2.1 – PSD: Alerón Izquierdo [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] ............................................... 149
Figura B.2.2 – PSD: Alerón Derecho [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] ................................................. 150
Figura B.2.3 – PSD: Momento flector/Raíz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] ................................. 151
Figura B.2.4 – PSD: Momento flector/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] ............................... 152
Figura B.2.5 – PSD: Momento torsor/Raiz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] .................................. 153
Figura B.2.6 – PSD: Momento torsor/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] ................................ 154
Figura B.2.7 – PSD: Aceleración punta delantera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] ........................ 155
Figura B.2.8 – PSD: Aceleración punta trasera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 75% FreqRef] ............................ 156
Figura B.2.9 – PSD: Alerón Izquierdo [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] ............................................... 157
Figura B.2.10 – PSD: Alerón Derecho [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] ............................................... 158
Figura B.2.11 – PSD: Momento flector/Raíz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] ............................... 159
Figura B.2.12 – PSD: Momento flector/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] ............................. 160
Figura B.2.13 – PSD: Momento torsor/Raiz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] ................................ 161
Figura B.2.14 – PSD: Momento torsor/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] .............................. 162
Figura B.2.15 – PSD: Aceleración punta delantera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] ...................... 163
Figura B.2.16 – PSD: Aceleración punta trasera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 85% FreqRef] .......................... 164
Figura B.2.17 – PSD: Alerón Izquierdo [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef] ........................................... 165
Figura B.2.18 – PSD: Alerón Derecho [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef] ............................................. 166
Figura B.2.19 – PSD: Momento flector/Raíz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef] ............................. 167
Figura B.2.20 – PSD: Momento flector/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef] ........................... 168
Figura B.2.21 – PSD: Momento torsor/Raiz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef]............................... 169
Figura B.2.22 – PSD: Momento torsor/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef] ............................ 170
Figura B.2.23 – PSD: Aceleración punta delantera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef] .................... 171
Figura B.2.24 – PSD: Aceleración punta trasera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 100% FreqRef] ........................ 172
Figura B.2.25 – PSD: Alerón Izquierdo [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ........................................... 173
Figura B.2.26 – PSD: Alerón Derecho [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ............................................. 174
Figura B.2.27 – PSD: Momento flector/Raíz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ............................. 175
Figura B.2.28 – PSD: Momento flector/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ........................... 176
Figura B.2.29 – PSD: Momento torsor/Raiz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ............................... 177
Figura B.2.30 – PSD: Momento torsor/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ............................. 178
Figura B.2.31 – PSD: Aceleración punta delantera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ..................... 179
Figura B.2.32 – PSD: Aceleración punta trasera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 115% FreqRef] ......................... 180
Figura B.2.33 – PSD: Alerón Izquierdo [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef] ............................................ 181
Figura B.2.34 – PSD: Alerón Derecho [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef].............................................. 182
Figura B.2.35 – PSD: Momento flector/Raíz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef] .............................. 183
Figura B.2.36 – PSD: Momento flector/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef] ............................ 184
Figura B.2.37 – PSD: Momento torsor/Raiz ala [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef] ............................... 185
Figura B.2.38 – PSD: Momento torsor/Mitad ala [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef] ............................. 186
Figura B.2.39 – PSD: Aceleración punta delantera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef] ..................... 187
Figura B.2.40 – PSD: Aceleración punta trasera ala [0.8 M, FLs150-100-050, 125% FreqRef] ......................... 188
Figura C.1.1 – F16 Time histories: 0.8 M, FL200, 1-2 g‟s. Aceleraciones delantera/trasera puntas de plano ..... 190
Figura C.1.2 – F16 Time histories: 0.8 M, FL200, 2-3 g‟s. Aceleraciones delantera/trasera puntas de plano ..... 191
Figura C.1.3 – F16 Time histories: 0.85 M, FL200, 1 g. Aceleraciones delantera/trasera puntas de plano ......... 192
Figura C.1.4 – F16 Time histories: 0.85 M, FL200, 1 g (bis). Aceleraciones delantera/trasera puntas de plano 193
Figura C.1.5 – F16 Time histories: 0.80-0.85 M, FL200, 1 g. Aceleraciones delantera/trasera puntas de plano 194
Índice de Tablas
Tabla 2.1 - Revisión histórica ................................................................................................................................. 17
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación a la determinación de la envolvente aeroelástica ............................. 21
Tabla 2.3 - Procedimientos propuestos de ensayo .................................................................................................. 35
Tabla 2.4 - Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas ........................................................................... 40
Tabla 3.1 – Flameo clásico vs LCO ....................................................................................................................... 57
Tabla 4.1 – Simulación - Valores de los parámetros geométricos, inerciales y estructurales ................................ 81
Tabla 4.2. – Simulación aeroelástica bidimensional: Evaluación sin holgura (I) .................................................. 83
Tabla 4.3. – Simulación aeroelástica bidimensional: Evaluación sin holgura (II) ................................................. 84
Tabla 4.4. – Simulación aeroelástica bidimensional: Evaluación sin holgura (III) ................................................ 85
Tabla 4.5. – Simulación aeroelástica bidimensional [sin holgura]: Margen de flameo ......................................... 86
Tabla 4.6. - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en flexión: [-0.05 +0.05] mts [] ........................... 87
Tabla 4.7 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en flexión: [-0.05 +0.05] mts (II) ........................... 88
Tabla 4.8 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en flexión: [-0.05 +0.05] mts (III) .......................... 89
Tabla 4.9 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o [] .......................................... 90
Tabla 4.10 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o (II) ......................................... 91
Tabla 4.11 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o (III) ........................................ 92
Tabla 4.12 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o / Margen de flameo ............... 92
Tabla 5.1 – Frecuencias adimensionalizadas características en tierra .................................................................... 99
Tabla 5.2 - Excitación al 75% de la frecuencia de referencia („dwell‟ de 10 segundos) ...................................... 100
Tabla 5.3 - Excitación al 85% de la frecuencia de referencia („dwell‟ de 10 segundos) ...................................... 101
Tabla 5.4 - Excitación al 100% de la frecuencia de referencia („dwell‟ de 10 segundos) .................................... 101
Tabla 5.5. - Excitación al 115% de la frecuencia de referencia („dwell‟ de 10 segundos) ................................... 102
Tabla 5.6. - Excitación al 125% de la frecuencia de referencia („dwell‟ de 10 segundos) ................................... 102
Tabla 5.7. – Criterio de aceptación de LCO para plataforma F16 ........................................................................ 103
1
Capítulo 1
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Consideraciones generales
La presente Tesis se enmarca dentro de la disciplina de la Aeroelasticidad y evalúa su
influencia en la determinación de la envolvente de vuelo en servicio de una aeronave, tanto en el
mundo civil como en el militar.
Al objeto de encuadrar la Aeroelasticidad en el Ciclo de Vida de una aeronave, conviene
recordar que dicho ciclo consta de seis fases fundamentales:
Viabilidad
Concepto
Definición
Desarrollo
Certificación [obtención del Certificado de Tipo]
Seguimiento en servicio, incluidas modificaciones
Baja en servicio
En particular, durante las fases de Concepto y Definición, se desarrollan modelos másicos,
aerodinámicos, estructurales y de sistemas que permiten anticipar el comportamiento general de
la futura aeronave. Dichos modelos son posteriormente validados durante la fase de Desarrollo e,
incluso, durante la de Seguimiento en servicio si se implementan modificaciones que afecten a la
estructura o a la configuración exterior del avión. De todos ellos, los modelos aeroelásticos son
de especial interés por sus implicaciones en todo el proceso de Desarrollo y posterior
Certificación de una aeronave, dado que una concepción errónea de los mismos puede llevar a
plantear una campaña deficiente de ensayos con resultados catastróficos. De hecho, para una
2
aeronave de nueva construcción, todo el proceso de investigación aeroelástica pasará por varias
fases, con sus correspondientes procesos asociados (ver Figura 1.1). No hay que olvidar que el
objetivo final es demostrar a la Autoridad Certificadora que la aeronave, en la configuración
requerida, está libre de fenómenos aeroelásticos „perjudiciales‟ en toda la envolvente propuesta
para Certificación.
(*) NOTA: Las Fases descritas en la Figura 1.1 constituyen un esquema clásico. Hoy en dia, la introducción de los Mandos de Vuelo Digitales ha
introducido una dificultad adicional: Las propias Leyes de Control. En tal caso, los modelos estructurales se amplían con la adición de módulos de
control, dando lugar a un modelo acoplado. También, los ensayos de vibración comienzan a efectuarse con mandos activos en un banco de
ensayos compuesto de estructura+sistemas (AC-0 ó Iron Bird). En este caso, al triángulo clásico aeroelástico de Collar
(Aero+Elasticidad+Inercia), se le añadiría un vértice más (Control) y se hablaría de Aeroservoelasticidad.
Figura 1.1 – Fases que componen la investigación aeroelástica (aeronave de nueva construcción)
Los modelos teóricos aeroelásticos se validan definitivamente sobre avión (típicamente
prototipos) mediante ensayos de vibración en tierra (Ground Vibration Test, GVT) y ensayos en
vuelo de flameo (Flight Flutter Test, FFT). Tradicionalmente, la aproximación de la industria
aeronáutica en la concepción de sus modelos aeroelásticos es estrictamente lineal con amplios
MODELOS (*)
ESTRUCTURALES
MODELOS
AERODINÁMICOS
CÁLCULOS
AEROELÁSTICOS
DATOS ESTRUCTURA
EXPERIMENTALES
[MODELO A ESCALA]
DATOS AERODINÁMICA
EXPERIMENTALES
[MODELO A ESCALA]
CÁLCULOS
AEROELÁSTICOS
ACTUALIZADOS
ENSAYOS DE
VIBRACIÓN EN TIERRA
[ESCALA COMPLETA]
ENSAYOS DE RIGIDEZ
[ESCALA COMPLETA]
CÁLCULOS
AEROELÁSTICOS
ACTUALIZADOS
ENSAYOS EN
VUELO
ENVOLVENTE
AEROELÁSTICA
ACTUALIZACIÓN
VALIDACIÓN
3
márgenes de seguridad (según Normas, 15% en la velocidad equivalente estimada de flameo y
3% de amortiguamiento), lo que reduce el coste de cálculo y los tiempos de simulación sin poner
en peligro la integridad de la aeronave y su propio diseño. Sin embargo el uso de materiales cada
vez más ligeros unido a una cada vez mayor exigencia en las capacidades de los aviones,
incluyendo la extensión de la vida en servicio, ha ido poniendo de manifiesto la necesidad de
revisar los modelos aeroelásticos actuales. Particularmente, el efecto de fenómenos no-lineales,
tanto aerodinámicos como estructurales, ha comenzado a tenerse en cuenta en los modelos más
actuales. Si bien se pueden identificar diversos tipos de no-linealidades (estructurales,
aerodinámicas, geométricas, atmosféricas), de un modo general y a efectos prácticos, la literatura
especializada tiende a clasificar los diferentes tipos de no-linealidades en estructurales y
aerodinámicas:
A) No-linealidades estructurales:
Distribuidas: Repartidas a lo largo de toda la estructura y se presentan cuando la misma pierde
su comportamiento lineal (por ejemplo, grandes deformaciones).
Concentradas: Localizadas en lugares específicos de la estructura. Típicamente, se suelen
caracterizar tres tipos de no-linealidades concentradas: Holgura, histéresis (incluye fricción) y
rigidez no-lineal (endurecimiento/reblandecimiento de la rigidez).
B) No-linealidades aerodinámicas:
Condiciones de vuelo a alto ángulo de ataque, donde se manifiestan fenómenos claramente no
lineales: Bataneo (Buffet), desprendimiento de capa límite, régimen turbulento, etc.
Condiciones de vuelo transónico, con fenómenos igualmente no-lineales: Bataneo,
interferencia de ondas de choque con fuselaje/cargas externas, influencia de las ondas de
choque sobre la capa límite, etc.
Las no-linealidades inducen cambios de comportamiento en una aeronave que no pueden
predecirse mediante modelos lineales y que condicionan enormemente la determinación precisa
de la envolvente aeroelástica durante la fase de ensayos en vuelo. Uno de los fenómenos más
típicos, y cuya predicción experimental es objeto de la presente Tesis, es el asociado a las
Oscilaciones Cíclicas Limitadas en amplitud (traducción literal de LCO, „Limit Cycle
Oscillations‟). Si bien su amplitud es limitada y, en ocasiones, no genera un fallo inmediato o
catastrófico de la estructura, dicho fenómeno es de especial interés por diversos motivos:
4
Reducen la vida en fatiga de la aeronave.
Reducen la confortabilidad del vuelo e incrementan la carga de trabajo del piloto.
En el caso de aviones con mandos de vuelo digitales, existe el riesgo de acoplamiento de la
respuesta del control con las oscilaciones.
Se demuestra, tanto teórica como experimentalmente, que la holgura (ya sea en la rotación
de las superficies de control, en el contacto pylon/ala o en cualquier dispositivo externo no
convenientemente asegurado sometido a fuerzas aerodinámicas) es una de las causas generadoras
de LCOs. Numerosos estudios teóricos y modelos han sido propuestos para evaluar la influencia
de la holgura e identificar aquellas configuraciones o condiciones de vuelo favorables a sufrir de
LCOs durante la fase de diseño de una aeronave. No obstante, la validación final de una
envolvente propuesta se efectúa siempre con ensayos en vuelo y la aparición de LCOs puede
llevar a una determinación excesivamente conservativa de la misma cuando no se es capaz de
diferenciar dicho fenómeno con el de flameo, mucho más crítico. En consecuencia, también se
hace necesaria la revisión de la metodología de ensayos en vuelo de flameo al efecto de
identificar aquellos fenómenos aeroelásticos asociados a no-linealidades y validar de forma
segura la envolvente en servicio. La presente Tesis aborda dicho problema: Cómo predecir el
fenómeno de las LCOs, diferenciándolo del flameo, mediante un proceso de identificación en
tiempo real.
En las secciones siguientes del presente capítulo, se describe cómo se incluye la
Aeroelasticidad en el ámbito de los ensayos en vuelo (sección 1.2), la contribución específica de
esta Tesis doctoral (sección 1.3) y un esquema reducido de los capítulo en los que se articula la
presente Tesis (sección 1.4).
1.2 La Aeroelasticidad en el ámbito de los ensayos en vuelo
Un problema importante durante el diseño de una nueva aeronave es asegurar que el diseño
propuesto (y sus posteriores modificaciones) está libre de inestabilidades aeroelásticas „nocivas‟,
típicamente flameo, en toda la envuelta de vuelo propuesta. Dichas inestabilidades únicamente
pueden prevenirse a través de un diseño adecuado de la estructura y, por tanto, el estudio
aeroelástico de una nueva aeronave (o de una modificación mayor, incluyendo leyes de control)
debe comenzar en las fases preliminares del diseño. Adicionalmente, en el caso de los aviones
5
militares que pueden ser configurados con múltiples cargas externas, el estudio aeroelástico de
los mismos puede extenderse a lo largo de toda su vida operativa.
Los ensayos en vuelo son la herramienta final que se utiliza para demostrar que una
aeronave está libre de inestabilidades aeroelásticas en aquellas condiciones más críticas dentro de
la envuelta propuesta. Adicionalmente, también se usan, junto con datos procedentes de túnel
aerodinámico, para validar los modelos aeroelásticos utilizados en desarrollo. Ambos datos
(experimentales y teóricos, estos últimos validados experimentalmente) son la base de la
certificación. En consecuencia, es fundamental obtener datos experimentales explotables y definir
técnicas fiables de Identificación al objeto de cumplimentar satisfactoriamente ambos procesos:
Expandir en tiempo real la envolvente de vuelo de forma segura y validar los modelos
aeroelásticos utilizados. Dos circunstancias pueden llegar a impedir la tarea anterior:
Alto nivel de ruido de los datos de ensayo que dificulta la Identificación de los mecanismos de
las inestabilidades aeroelásticas.
Presencia de no-linealidades (aerodinámicas y/o estructurales) que, en ocasiones, contaminan
la repetitibilidad de los fenómenos aeroelásticos y cambian los mecanismos asociados para las
mismas condiciones de ensayo, obligando a aumentar el número de vuelos previsto y, en
consecuencia, los costes.
La presente sección posiciona la Aeroelasticidad en el ámbito de los ensayos en vuelo a
través de la enumeración de los requisitos de Certificación desde el punto de vista aeroelástico, la
descripción del objeto de los ensayos aeroelásticos, la instrumentación necesaria, la metodología
asociada (clásica y actual), las técnicas de análisis y el probable futuro de la Aeroelasticidad en el
ámbito de los ensayos en vuelo.
1.2.1 Requisitos de Certificación
Los requisitos de Certificación, en relación a estabilidad aeroelástica, tanto para
condiciones de vuelo normales como de emergencia son:
Margen de Flameo: 15% de margen en velocidad equivalente a lo largo de los límites de la
Envuelta de Vuelo, tanto a altitud constante como a número de Mach constante.
Amortiguamiento: 3% para el coeficiente de amortiguamiento en cualquier modo crítico de
flameo o en cualquier respuesta dinámica para todas las altitudes y velocidades a lo largo de
los límites de la envuelta de vuelo.
6
1.2.2 Objeto de los ensayos aeroelásticos en vuelo
El objeto primario de los ensayos aeroelásticos en vuelo es demostrar la operación libre de
inestabilidades aeroelásticas en la envolvente propuesta de manera segura y económica. A efectos
de dimensionar la campaña de ensayos (configuraciones a ensayar y condiciones a volar), se hace
uso de simulaciones teóricas, analogía con aeronaves o configuraciones similares y datos
experimentales procedentes de túnel.
Adicionalmente, los datos obtenidos se usan para validar aquellas herramientas teóricas y
experimentales que se han usado como fuente preliminar de datos para dimensionar la campaña
de ensayos.
1.2.3 Instrumentación asociada a los ensayos aeroelásticos en vuelo
Los ensayos dedicados a la determinación de la envolvente aeroelástica se efectúan siempre
con seguimiento en tiempo real desde una Sala de Telemetría, en donde un conductor de ensayos
es la única persona que habla con la tripulación del avión y le transmite las condiciones de vuelo
requeridas por los especialistas aeroelástico que monitorizan el comportamiento estructural el
avión.
En general, la ejecución de cada punto específico de ensayo consta de tres pasos:
a) Excitación de la estructura (a través de los propios inputs del piloto o mediante inputs
pre-programados si los mandos de vuelo son digitales; a través de dispositivos pirotécnicos,
másicos o neumáticos).
b) Medida de la respuesta de la estructura.
c) Análisis de la estabilidad de la respuesta por los especialistas y determinación de las
siguientes condiciones de vuelo a fin de continuar con la expansión de la envolvente.
La instrumentación queda definida por las configuraciones a ensayar, las condiciones de
vuelo previstas y el tipo de excitación a utilizar. Las configuraciones de vuelo a ensayar
determinan los mecanismos de flameo y, en particular, la frecuencia mínima de muestreo de los
datos de ensayo y el número mínimo de sensores. Aparte de la instrumentación necesaria para
monitorizar las condiciones de vuelo (habitualmente se exige gran precisión en la altitud,
velocidad, aceleración normal y actitud del avión), se instalan sensores específicos para medir la
7
excitación y la deformación dinámica de la estructura, típicamente acelerómetros y
extensímetros.
Cuando se prevé que la estructura o la aerodinámica asociada al ensayo se van a comportar
de forma lineal y que únicamente el tipo de inestabilidad que se espera es el clásico flameo por
coalescencia de un modo de torsión con otro de flexión, el requisito básico es disponer de buenos
datos de amortiguamiento y frecuencia, mientras que la medida de la amplitud pasa a segundo
plano. Sin embargo, si se sospecha que la estructura contiene no-linealidades o las
condiciones de vuelo son transónicas, la evolución de la amplitud de la deformación es un
dato de gran interés, requiriéndose gran precisión en los acelerómetros.
1.2.4 Metodología de los ensayos aeroelásticos en vuelo
La aproximación clásica para efectuar ensayos aeroelásticos en vuelo prácticamente no ha
cambiado desde los últimos cincuenta años. En resumen, dicha aproximación se basa en efectuar
la expansión de la envolvente aeroelástica en velocidad equivalente, de forma sistemática,
comenzando por condiciones de alta altitud. En condiciones cercanas al régimen transónico, la
expansión se efectúa en función del número de Mach. En cualquier caso, la seguridad en vuelo,
entendida como integridad física de la tripulación y la aeronave, nunca debe ponerse en riesgo
deliberado.
No obstante, si bien la expansión de envolvente se efectúa en velocidad equivalente o el
número de Mach, la metodología que subyace detrás de dicha expansión no es única. Diversos
métodos para evolucionar de una condición de ensayo a la siguiente, o para predecir las
condiciones de flameo en tiempo real antes de que aparezcan, se han propuesto a lo largo de la
Historia con resultados prácticos dispares:
a) Margen de Flameo, definido por el amortiguamiento y la frecuencia de los modos
aeroelásticos en condiciones subcríticas.
b) Método , mediante la definición de funciones de incertidumbre
c) Redes neuronales.
d) Métodos en el dominio del tiempo
Todos los métodos anteriores han demostrado experimentalmente su capacidad de predecir
condiciones de flameo antes de que éstas aparezcan cuando el mecanismo asociado es la
8
coalescencia de un modo crítico de flexión con otro de torsión. Afortunadamente, es el
mecanismo más habitual en aviones „convencionales‟, tanto militares como civiles y el uso de los
mismos está muy extendido.
Sin embargo, los nuevos desarrollos de aeronaves (más ligeras, con gran capacidad de
deformación y/o con mandos de vuelo activos) y el envejecimiento de las flotas actuales ha
puesto de manifiesto que no se pueden despreciar los efectos no-lineales en la respuesta
aeroelástica de una aeronave. En consecuencia, se ha de revisar, o innovar, la metodología
asociada a la expansión de la envolvente aeroelástica a fin de que sea capaz de predecir
inestabilidades distintas del flameo clásico.
1.2.5 Técnicas de análisis
En la sección anterior se han expuesto las metodologías más extendidas aplicables a la
expansión de envolventes aeroelásticas. Todas ellas hacen uso de parámetros derivados de las
medidas, en tiempo real, de los diferentes sensores con los que se ha instrumentado el avión de
ensayos. La utilidad de dichos parámetros es doble:
a) Mediante técnicas de identificación en tiempo real, se caracteriza la respuesta de la
estructura para cada condición de vuelo y, en base su evolución con la
velocidad/altitud/aceleración, se predice la aparición de fenómenos aeroelásticos.
b) Análisis post-vuelo mucho más exhaustivo, en el que se validan los modelos aeroelásticos.
En el ámbito de los ensayos, el interés reside en la primera utilidad. En la literatura actual
se pueden encontrar multitud de métodos modales de identificación de parámetros a fin de
identificar las frecuencias naturales y los amortiguamientos derivadas de las medidas de la
excitación y respuesta de la estructura. En ocasiones, se hace uso de la forma de los propios
modos para llevar a cabo dicha identificación. Estas técnicas han evolucionado desde análisis
espectral de una única medida a algoritmos más complicados que involucran multitud de datos de
ensayo. Todas ellas asumen que las condiciones de vuelo son estacionarias y que la aeronave se
comporta como un sistema lineal. Sin embargo, la experiencia demuestra que los datos medidos
„en bruto‟ contienen un elevado nivel de ruido y deben ser filtrados al objeto de que puedan ser
analizados. Si dichos filtrados no se efectúan cuidadosamente o las técnicas de identificación
9
con deficientes, se pueden enmascarar mecanismos no clásicos de flameo, especialmente
relacionados con no-linealidades, tanto estructurales como aerodinámicas.
Actualmente, se investigan estimadores en tiempo real de las características modales de la
estructura que incorporan cada vez más datos de modelos aeroelásticos completos. Si bien
diferentes métodos basados en wavelets o transformadas de Fourier rápidas se han propuesto a lo
largo de la última década, su utilidad práctica aún no está demostrada. Adicionalmente, aún no se
ha proporcionado un método sistemático preciso en el plano del tiempo, siendo ésta una de las
líneas de investigación que aún tiene cierto recorrido.
1.2.6 Futuro de la Aeroelasticidad en el ámbito de los ensayos en vuelo
Las secciones anteriores han posicionado la Aeroelasticidad en el marco de los ensayos en
vuelo y como, para que éstos sean eficientes, es necesario no sólo una buena metodología de
ejecución, sino también herramientas teóricas precisas en el plano de la modelización y de la
identificación.
En consecuencia, aún existe un gran margen de desarrollo en la metodología de ensayos
aeroelásticos en vuelo a fin de alcanzar dos objetivos fundamentales:
Reducir el coste global de la determinación (i.e., Certificación) de la envolvente de
vuelo de una aeronave de nueva construcción o de una nueva configuración de cargas
externas, en el caso de un avión militar. Una de las líneas de acción es reducir el
número de vuelos de Ensayo necesarios y aumentar el peso del Análisis en todo el
proceso de Certificación. Actualmente, según Henshaw, McKiernon y Mairs el reparto
esfuerzo-coste en un programa de expansión de envolvente aeroelástica es del orden de
75%-25% para Análisis y Modelización y 25%-75% para validación y cualificación
(incluye ensayos). Este reparto ha permanecido prácticamente constante durante las
últimas décadas, mientras que el desarrollo alcanzado actualmente en todos los
aspectos comentados en las secciones anteriores permitiría un reparto más eficiente del
90%-10% vs 10%-90% (ver Figura 1.2).
10
REPARTO ACTUAL REPARTO ÓPTIMO
Figura 1.2 – Reparto Esfuerzo-Coste en las áreas de Análisis y Validación-Cualificación
Acciones orientadas a un conseguir un reparto óptimo del esfuerzo-coste incluirían:
Mejoras en los modelos aerodinámicos computacionales al objeto de obtener datos
preliminares más fiables, modelos de orden reducido que se ajusten mejor al
comportamiento aeroelástico de la aeronave a ensayar, actualizar los algoritmos de
identificación de modo que puedan ser incluso empleados en condiciones de vuelo no
estables, implementar filtros capaces de discernir el ruido de la respuesta de la
estructura, etc.
Incluir en la Metodología de ensayos los efectos no-lineales, al objeto de predecir
fenómenos distintos del flameo clásico y determinar la naturaleza, crítica o no, del
mismo. En este sentido, desarrollar algoritmos que permitan predecir fenómenos
aeroelásticos asociados a no-linealidades cuyo valor (i.e., holgura) o naturaleza (i.e.
aerodinámica transónica) no puede ser conocida a priori.
1.3 Contribución de esta Tesis doctoral
La presente Tesis doctoral es el resultado de una observación y de una necesidad. De
observar cómo, tras haber estado involucrado en la determinación de envolventes aeroelásticas de
distintas configuraciones de cargas externas en aviones militares de altas prestaciones (por
ejemplo, F-18), se ha identificado la necesidad de mejorar los procesos asociados a los ensayos
en vuelo dedicados a dicha determinación. Y esa mejora, traducirla en una metodología capaz de
caracterizar en tiempo real aquellos mecanismos aeroelásticos distintos del flameo clásico,
contribuyendo a una determinación más realista (sin perder seguridad) de las envolventes de
vuelo, permitiendo colateralmente, reducir el número de vuelos necesario para ello.
11
La contribución general de la Tesis, en línea con las necesidades identificadas en el párrafo
y en las secciones anteriores, se espera que impacte sobre los siguientes aspectos:
Desarrollo de un simulador aeroelástico en entorno Simulink, ejecutable en tiempo
real, de un perfil bidimenasional con aerodinámica no estacionaria y no-linealidad
configurable de tipo holgura para validación preliminar de Metodologías de predicción
de inestabilidades aeroelásticas.
Estudio paramétrico de la evolución de la envolvente aeroelástica en función de la
magnitud de parámetros críticos en el mecanismo aeroelástico: Holgura, posición del
centro de gravedad, inercia, rigidez en torsión y rigidez en flexión.
Desarrollo de una metodología en tiempo real de predicción de inestabilidades
aeroelásticas no clásicas, típicamente LCOs, en función de condiciones de vuelo
subcríticas, sin necesidad de conocer a-priori la magnitud de las no-linealidades que la
generan.
Evaluación a-posteriori de la metodología anterior mediante aplicación de la misma a
datos experimentales reales.
Las propuestas iniciales presentadas en esta Tesis, junto con algunos resultados previos, ya
han sido adelantadas en una Publicación y, adicionalmente, presentadas en un Congreso:
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace
Engineering (Volumen 222, Nº 6, Abril 2008): „Flutter margin with non-linearities:
Real-time prediction of flutter onset speed‟.
SFTE (European Chapter), 18th
Annual Symposium (11-13 June 2007): „Real Time
Tuning of Quasi Non-linear Aeroelastic Models‟.
1.4 Esquema general de la Tesis
La presente Tesis se articula en siete Capítulos, a lo largo de los cuales se presentan las
razones que han conducido a proponer una nueva metodología de expansión de envolvente, así
como los resultados obtenidos y las conclusiones derivadas de la misma.
En el Capítulo 1 se ha introducido el tema de la Tesis, posicionándola en el ámbito de los
ensayos en vuelo, identificando de forma somera aquellos campos con margen de
desarrollo/investigación y describiendo las principales contribuciones de la misma.
En el Capítulo 2 se presenta una revisión bibliográfica del estado del arte, analizando
minuciosamente el contenido de las publicaciones en relación a cinco áreas complementarias:
evolución histórica de los ensayos aeroelásticos, estudios teóricos relacionados, procedimientos
de ensayo, casos de ensayo (incluyendo lecciones aprendidas) y una revisión exhaustiva de las
Normas civiles y militares en el ámbito de los ensayos en vuelo referidos a ensayos aeroelásticos.
En el Capítulo 3 se propone una metodología novedosa de predicción de inestabilidades
aeroelásticas (flameo y LCOs) en tiempo real sintonizable con datos de vuelo. Dicha metodología
está fundamentada en la hipótesis básica de la naturaleza cíclica de ambos fenómenos.
En el Capítulo 4 se presenta un simulador aeroelástico bidimensional, con aerodinámica no
estacionaria y no-linealidades configurables. Adicionalmente a lo anterior, la metodología
propuesta se valida contra el simulador aeroelástico presentado en el Capítulo 3.
En el Capítulo 5 se aplica, a-posteriori (off-line), la metodología anterior a datos
experimentales de campañas reales de expansión de envolventes aeroelásticas en aviones
militares de altas prestaciones (F-18).
Finalmente, el Capítulo 6 presenta las conclusiones derivadas de los resultados obtenidos y
esta Tesis finaliza con el Capítulo 7, en donde se exponen, a juicio del autor, las líneas futuras de
desarrollo/investigación de la Aeroelasticidad en el ámbito de los ensayos en vuelo.
El esquema general de la Tesis se proporciona en la Figura 1.3. de la página siguiente.
13
Figura 1.3 – Esquema general de la Tesis
Capítulo 1
Introducción
Capítulo 2
Estado del arte
Capítulo 3
Metodología de Ensayos en Vuelo
para la expansión de la envolvente
aeroelástica
de inestabilidades aeroelásticas
Capítulo 5
Validación preliminar de la
Metodología de Predicción
Datos experimentales
Capítulo 6
Conclusiones
Capítulo 7
Lineas futuras
Capítulo 4
Validación preliminar de la
Metodología de Predicción
Simulador Aeroelástico 2D
14
15
Capítulo 2
2 ESTADO DEL ARTE
2.1 Introducción
El capítulo 2 de esta Tesis doctoral está dedicado a situar en el estado del arte actual la
determinación experimental en vuelo y en tiempo real de la envolvente de una aeronave (y sus
posibles configuraciones externas de cargas) desde el punto de vista aeroelástico y en presencia
de no-linealidades tipo freeplay (holgura). A tal efecto, se lleva a cabo una revisión de la
información disponible en dos grandes áreas:
Bibliografía, ordenada cronológicamente, encuadrada en un área No-normativa
(típicamente artículos, estudios o libros), incluyendo:
Revisión histórica de los fenómenos aeroelásticos y su influencia en el
desarrollo de la aviación.
Estudios teóricos, con aplicación directa a la determinación experimental en
vuelo y en tiempo real de la envolvente de una aeronave desde el punto de vista
aeroelástico, con y sin no-linealidades presentes.
Procedimientos propuestos de ensayo derivados de los estudios anteriores.
Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas.
Normas, tanto en el ámbito civil como militar, aplicables a la determinación de la
Envolvente de Vuelo desde el punto de vista aeroelástico.
2.2 Bibliografía (No-normativa) consultada
La tablas incluidas en el presente apartado proporcionan un resumen estructurado de la
documentación encontrada, fuera del ámbito normativo, del fenómeno del flameo en la aviación,
16
su identificación-predicción experimental (tanto en tierra como en vuelo) y cómo la presencia de
no-linealidades, especialmente freeplay (holgura) influye en el mismo. Para cada fuente se
proporciona una referencia interna, la fecha de publicación, el autor/autores, el objeto del
documento y comentarios adicionales.
17
Tabla 2.1 - Revisión histórica
Referencia Interna
Fecha de Publicación
Documento
Título / Referencia
Documento
Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Hist-1] Abril 1990
‘Experimental Aeroelasticity History, Status and Future in Brief’
NASA Technical Memorandum 102651
Rodney H. Ricketts
- Valoración y revisión de los Ensayos Aeroelásticos en Túnel de Viento en el entorno de la NASA.
- Descripción de instalaciones y recursos.
- Descripción de las técnicas de Ensayo aeroelástico en túnel de viento.
- Objeto de los Ensayos en Túnel: Validación de modelos teóricos, determinación de configuraciones externas de cargas críticas, determinación preliminar de envolventes, desarrollo de controles activos de vuelo.
- Avances previstos con posterioridad a 1990:
* Comportamiento aeroelástico con no-linealidades estructurales y aerodinámicas.
* Control activo de oscilaciones.
[Hist-2] Junio 1994
‘Aircraft Ground Vibration Testing at the NASA Dryden Flight Research
Facility’
NASA Technical Memorandum 104275
Michael W. Kehoe
Lawrence C. Freudinger
- Descripción de las actividades en Dryden relativas a Ensayos de Vibración en Tierra (GVT, Ground Vibration Testing) de diversas aeronaves
- Incluye la descripción de una técnica modal para determinar el freeplay de las superficies de control de una aeronave.
- Evaluación de los distintos métodos de excitación de la estructura.
- Avances previstos con posterioridad a 1994:
* Expansión de los Ensayos de GVT con no-linealidades presentes.
[Hist-3] Octubre 1995
‘A Historical Overview of Flight Flutter Testing’
NASA Technical Memorandum 4720
Michael W. Kehoe
- Descripción de las Técnicas de Ensayo en Vuelo empleadas a lo largo de la Historia para la determinación de la Envovente Aeroelástica
- Avances previstos con posterioridad a 1995:
* Desarrollo de Métodos de Predicción de la velocidad de flameo a velocidades bajas [Nissim].
* Automatización de las técnicas de Identificación.
* Desarrollo de métodos de identificación modal
18
Tabla 2.1 - Revisión histórica (continuación)
Referencia Interna
Fecha de Publicación
Documento
Título / Referencia
Documento
Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Hist-4] Abril 1997
‘Overview of Recent Flight Flutter Testing Research at NASA Dryden’
NASA Technical Memorandum 4792
Martín J. Brenner
Richard C. Lind,
David F. Voracek
- Descripción y análisis del proceso de Ensayos en Vuelo en el centro Dryden de la NASA.
- Evaluación de diferentes mecanismos de excitación y su influencia en la calidad de los datos obtenidos.
- Evaluación de técnicas de Análisis tipo wavelet para proceso de señal, estimación de la estabilidad e identificación no-lineal. Comparación con métodos clásicos (Fourier).
- Predicción robusta de la envolvente aeroeslática con el menor número de vuelos posible. (Caso particular de Ensayo F18 HARV).
- Método propuesto (predicción robusta µ-scheme): Cuantifica los errores comparando el modelo con los datos reales e introduce el modelo estructural en la predicción a través de una función de incertidumbre.
Avances previstos con posterioridad a 1997:
* Sustitución de los métodos clásicos (‘time dependent’) por estimaciones espectrales. *Mejora del proceso de los datos con wavelets en el plano tiempo-frecuencia. * El margen aeroelástico es sustituido por un margen basado en el plano „µ‟.
[Hist-5] Abril 2002
‘Towards Faster and Safer Flight Flutter Testing’
Manchester School of Engineering University of Manchester
J. E. Cooper
- Efecto de los nuevos diseños (materiales, control activo de superficies, no-linealidades) en la filosofía de los Ensayos en Vuelo aeroelásticos..
- Revisión de los métodos de identificación/previsión de inestabilidades aeroelásticas: ‘µ-scheme’ (todavía bajo evaluación) y en el dominio del tiempo.
Avances previstos con posterioridad a 2002:
* Reducción de los vuelos necesarios para determinar la envolvente aeroelástica mediante la mejora en los modelos (CFD) y procesos (Túnel de Viento y GVTs) en la expansión de envolvente, en particular, con respecto a las no-linealidades (aerodinámicas y estructurales).
* Los procedimientos de Ensayo y Análisis deberán mejorar para permitir la predicción de fenómenos asociados a no-linealidades, tales como LCOs.
19
Tabla 2.1 - Revisión histórica (continuación)
Referencia Interna
Fecha de Publicación
Documento
Título / Referencia
Documento
Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Hist-6] Diciembre 2003
‘Future of Airplane Aeroelasticity’
University of Washington (Seattle)
Journal of Aircraft, Vol. 40, Nº 6
Eli Livne
- Revisión histórica del fenómeno de la aeroelasticidad desde el comienzo de la aviación (1903) hasta nuestros dias.
- Aproximación al problema aeroelástico en función de las décadas: 1950-60 (comprensión de la mayoría de los fenómenos aeroelásticos), 1970s (avences en la modelización gracias al desarrollo del método de los elementos fintos), 1990-2000 (importancia de los mecanismos no-lineales).
Avances previstos con posterioridad a 2003:
* Recoger la experiencia y las lecciones aprendidas de una generación que desaparece y que participó en los diseños de los años 60-70 hasta nuestras fechas.
* Mejora de los procesos de investigación en túnel de viento.
* Extensión de las prácticas aeorelásticas a configuraciones no-convencionales, grandes deformaciones, reducción de los casos de cargas externas a ensayar para un avión militar.
[Hist-7] Diciembre 2005
‘Advance Flutter and LCO Prediction Tools for Flight Test Risk and Cost
Reduction-An International Collaborative Program for T&E
Support’
US Air Force T&E Days / Nashville
AIAA Paper 2005-7630
W. Silva
M- Brenner
J. Cooper
C. Denegri
S. Dunn
L. Huttsell
I. Kaynes
R. Lind
D. Poirel
R. Yurkovich
- Desarrollo de herramientas para mejorar la predicción de la envolvente aeroelástica, cuando el comportamiento del sistema se considera lineal. Esencialmente, esta mejora se basa en la introducción de parámetros de incertidumbre.
- Desarrollo de procedimientos de identificación de fenómenos aeroelásticos no lineales
Avances previstos con posterioridad a 2005:
* Desarrollo de nuevas herramientas para la predicción en tiempo real de LCOs.
* La escasez de nuevos programas y la pérdida de ‘know-how’ por el retiro de personal especializado puede poner en riesgo el desarrollo futuro de nuevas herramientas en el campo aeroelástico.
* La metodología basada en el Margen de Flameo, con mejoras añadidas en el campo probabilístico, aún permanece como la técnica más extendida para la predicción en tiempo real del flameo.
20
Tabla 2.1 - Revisión histórica (continuación)
Referencia Interna
Fecha de Publicación
Documento
Título / Referencia
Documento
Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Hist-8] Mayo 2008
‘Advanced Aeroelastic Testing at the German Aeroespace Center (DLR)
and Future Challenges’
German Aeroespace Center
RTO-MP-AVT-152
Prof. Heinz Hönlinger
Dr. Marc Böswald
Mr. Holger Mai
Dr. Guido Dietz
- Mejora de la eficiencia en la determinación de la envolvente aeroelástica mediante mejora en las GVTs y en los ensayos en túnel.
- Avances previstos con posterioridad a 2008:
* Aún es pronto para sustituir los ensayos por análisis basados en modelos relistas (no a medio plazo).
[Hist-9] Abril 2010
‘Some Recent Advances in Nonlinear Aeroelasticity: Fluid-Structure Interaction in the 21
st Century’
Duke University, Durham, NC 27708
AIAA 2010-3137
Earl H. Dowell
- Revisión de los siguientes tópicos: Flameo Subsónico y transónico, LCOs inducidas por holguras (freeplay) y por fenómenos aerodinámicos, modelos aerodinámicos de orden reducido, modelización de las fuerzas aerodinámicas en el entorno CFD, experiencia derivada de los Ensayos en Vuelo.
- La modelización modal aerodinámica (como idea de trabajo inicial) ya fue lanzada por el autor veinte años atrás.
- La influencia de la holgura (freeplay) entre el ala y las cargas bajo plano en los mecanismos de flameo y LCOs permanece como área de investigación (página 4, párrafo B).
- En ocasiones, la presencia de LCOs previenen la aparición de un flameo de naturaleza más explosiva.
- Avances previstos con posterioridad a 2010:
* Los mecanismos de LCO debidos a no-linealidades estructurales han avanzado hasta el hecho de disponer de modelos muy fiables. No obstante, ese avance ha de ser aún contrastado en el ámbito de la aerodinámica.
21
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación a la determinación de la envolvente aeroelástica
Referencia Interna
Fecha de Publicación
Documento
Título / Referencia
Documento
Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Teor-1] 1935
‘General Theory of Aerodynamic Instability and the Mechanism of
Flutter’
Langley Memorial Aeronautical Lab
NACA Report 496
Theodore Theodorsen
- Modelo: Perfil 2D oscilatorio (torsión+flexión)
- Aerodinámica: Flujo potencial + Condición de Kutta
- No-Linealidad: N/A
- Resultados/Conclusiones:
Solución exacta de las fuerzas aerodinámicas en función de la frecuencia reducida.
[Teor-2] 1940
‘Mechanism of Flutter. A theoretical
and experimental investigation
of the Flutter problem’
Langley Memorial Aeronautical Lab
NACA Report 685
Theodore Theodorsen
I. E. Garrick
- Modelo: Perfil 2D oscilatorio (torsión+flexión) con alerón
- Aerodinámica: Flujo potencial + Condición de Kutta
- No-Linealidad: N/A
- Resultados/Conclusiones:
Continuación del Report 496, verificando con resultados experimentales.
[Teor-3] 1946
‘The Expanding Domain of Aeroelasticity’
Royal Aeronautical Society
Journal of the RAS, Vol. L, pp. 613-636
A. R. Collar
- Modelo: N/A
- Aerodinámica: N/A
- No-Linealidad: N/A
- Resultados/Conclusiones:
Descripción del fenómeno aeroelástico y definición del triángulo de Collar.
[Teor-4] 1955 ‘Aeroelasticity’
Ed. Addison-Wesley
R. L. Bisplinghoff
H. Ashley
R. L. Halfman
- Libro de texto, referencia básica en Aeroelasticidad
[Teor-5] Octubre 1955
‘Some effects of system nonlinearities in the problema of aircraft flutter’
- No-Linealidad: Holgura en torsión (2D) / Soporte
- Resultados/Conclusiones:
La aproximación racional de la aerodinámica es comparada con sistemas no-lineales con buena fiabilidad y, posteriormente, es aplicada a las estructuras con no-linealidades.
[Teor-8] Agosto 1989
‘Effects of Structural Nonlinearities on Flutter Characteristics of the CF-18
Aircraft’
National Research Council, Ottawa
Journal of Aircraft, Vol. 26, Nº 8
B. H.K. Lee
A. Tron
- Modelo: NASTRAN Ala CF-18
- Aerodinámica: Doublet-Lattice
- No-Linealidad: Holgura en LEF // Bilinear en plegado
- Resultados/Conclusiones:
LCOs debido a la holgura son posibles en un pequeño margen de velocidades en el entorno de la velocidad prevista de flameo para el modelo lineal.
El mecanismo detectado para el LCO es el mismo que el de flameo.
[Teor-9] Febrero 1992
‘Normal Modes for Non-Linear vibratory systems’
Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, University of
Michigan
Journal of Sound and Vibration (1993), 164, Pages 85-124
El método de Henon propuesto permite localizar el punto de inestabilidad, eliminando la necesidad de introducir una tolerancia.
24
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación directa a la determinación de la envolvente aeroelástica (continuación)
Referencia Interna
Fecha de Publicación
Documento
Título / Referencia
Documento
Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Teor-14] Abril 1998
‘On the Presence of Internal Resonances in Aeroelastic Systems’
Texas A&M University/Univ. of Florida
AIAA Paper 98-1795
H. C. Gilliat
T. W. Strganac
A. J. Kurdila
- Modelo: Perfil 2D oscilatorio (torsión+flexión)
- Aerodinámica: SImplificación quasi-estacionaria
- No-Linealidad: Continuas cúbicas y Coulomb
- Resultados/Conclusiones:
La respuesta de los modelos propuestos con los parámetros de rigidez da lugar a diversos tipos de respuesta, dependiendo de la frecuencia de excitación.
[Teor-15] Junio 1998
‘Flutter Analysis of a Two-Dimensional Airfoil Containing Structural Hysteresis
Nonlinearities’
Ottawa-Carleton Institute
Thesis for Master Degree
Brett M. Brooking
- Modelo: Perfil 2D oscilatorio (torsión+flexión)
- Aerodinámica: Potencial no estacionaria (Wagner)
- No-Linealidad: Histéresis en torsión
- Resultados/Conclusiones:
La histéresis, a efectos de análisis, es fielmente modelizada por una función bilineal.
[Teor-16] Junio 1998
‘Stability and Control of a Structurally Nonlinear Aeroelastic System’
Texas A&M University/Univ. of Florida
Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 21, Nº 5
Buena correlación entre los datos obtenidos y los datos experimenales en túnel.
[Teor-21] Abril 2000
‘Limit Cycle Oscillations of a Complete Aircraft’
Georgia Inst. Of Technology (Atlanta) & MIT (Massachussetts)
AIAA Paper 2000-1395
M. J. Patil
D. H. Hodges
C. E. S. Cesnik
- Modelo: Numérico avión completo con ala de gran alargamiento (fuselaje se mueve debido a la flexión)
- Aerodinámica: Aero a altos AOA
- No-Linealidad: Rigidez no lineal (gran deformación)
- Resultados/Conclusiones:
LCOs estimados en un modelo tipo ala en voladizo, aparecen en el avión completo.
El modo de sólido rígido no interviene en el mecanismo de LCO.
Los modelos aerodinámicos deben ser más precisos para detectar fenómenos de LCO.
[Teor-22] Septiembre 2000
‘Wavelet Analysis to Characterise Non-linearities and Predict Limit Cycles of an Aeroelastic System’
NASA Dryden Center, Edwards AFB
Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 15, Nº 2
R. Lind
K. Snyder
M. Brenner
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Lineal cuasiestacionaria
- No-Linealidad: Rigidez en torsión polinómica
- Resultados/Conclusiones:
Definición, a través de funciones wavelet, de una función general analítica para predecir LCO con resultados no determinantes.
26
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación directa a la determinación de la envolvente aeroelástica (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Teor-23] Septiembre 2000
‘Prediction of Nonlinear Aeroelastic Instabilities’
Manchester School of Engineering
A. Sedaghat
J. E. Cooper
J. R. Wright
A. Y. T. Leung
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Potencial no estacionaria (Wagner)
- No-Linealidad: Rigidez cúbica
- Resultados/Conclusiones:
Buena correlación entre los datos obtenidos y un modelo de validación.
El método consiste en identificar las condiciones de flameo lineales e intentar extrapolar las condiciones no lineales desde el mismo (Normal Form Theory).
[Teor-24] Noviembre 2000
‘Identification and Control of Limit Cycle Oscillations in Aeroelastic
Systems’
Texas A&M University/Univ. of Florida
Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 23, Nº 6
T. W. Strganac
K. Kovo
D. E. Thomson
A. J. Kurdila
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Cuasi-estacionaria incompresible
- No-Linealidad: Rigidez polinómica no-lineal
- Resultados/Conclusiones:
A efectos de diseño de un control activo, el uso de la aerodinámica cuasi-estacionaria demuestra una excelente correlación con los resultados experimentales.
[Teor-25] Abril 2001
‘Frequency and Amplitude Prediction of Limit Cycle Oscillations of an Airfoil Containing Concentrated Structural
Nonlinearities’
Dep. of Mathematical Sciences, University of Alberta, Edmonton, Alta.
Inst. of Aerospace Research Ottawa, Ont., Canada
L. Liu
Y. S. Wong
B. H. K. Lee
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Potencial no estacionaria (Wagner)
- No-Linealidad: Bilineal / histéresis
- Resultados/Conclusiones:
Predicción fiable de frecuencias y amplitud de LCOs
[Teor-26] Noviembre 2001
‘Estimation of the Hopff Bifurcation for Aeroelastic Systems’
Manchester School of Engineering
Journal of Sound and Vibration, V. 248
A. Sedaghat
J. E. Cooper
A. Y. T. Leung
J. R. Wright
- Modelo: Perfil 2D // Ala en voladizo
- Aerodinámica: Aero transónica no-estacionaria
- No-Linealidad: Aerodinámica no dependiente de la frecuencia
- Resultados/Conclusiones:
Buena correlación entre la solución analítica propuesta (programación simbólica)y simulaciones ya validadas
27
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación directa a la determinación de la envolvente aeroelástica (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Teor-27] Febrero 2002
‘Limit Cycle Analysis of a Structure in an Inviscid Compressible Flow in
Presence of Freeplay Nonlinearities’
ONERA, 92, Chatillon (Francia)
Communication to 42nd
Israel Annual Conf. on Aerospace Sciences, Haifa
(Israel)
G. Mortchéléwicz
L. Dadois
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Lineal compresible no estacionaria
- No-Linealidad: Holgura en torsión
- Resultados/Conclusiones:
La holgura hace que la velocidad de flameo (entendida como amplitud divergente en el tiempo) sea mayor que la estimada sin holgura.
[Teor-28] Abril 2002
‘Aeroelastic Studies of a Cantilever Wing with Structural and Aerodynamic
Nonlinearities’
Texas A&M University
AIAA Paper 2002-1412
K. Kim
T. W. Strganac
- Modelo: Ala en voladizo con carga externa
- Aerodinámica: Stall model
- No-Linealidad: Rigidez cúbica/Aero/Inducida por carga
- Resultados/Conclusiones:
Análisis a través del plano de fases Dependencia con las condiciones iniciales LCOs a velocidades inferiores a las de flameo
[Teor-29] Abril 2002
‘Influence of External Store Aerodynamics on Flutter/LCO of a
Fighter Aircraft’
ZONA Tech / USAF SEEK EAGLE
AIAA Paper 2001-1410
P.C.Chen
E.Sulaeman
D.D.Liu
C.M.Denegri
- Modelo: Elementos finitos (F16)
- Aerodinámica: Doublet-Lattice
- No-Linealidad: Aerodinámica (todos los regímenes)
- Resultados/Conclusiones:
Predicción fiable de LCOs (típicas y no-típicas)
[Teor-30] Mayo 2002
‘Nonlinear Aeroelastic Analysis Using the Point Transformation Method,
Part I: Freeplay Model’
Dep. of Mathematical Sciences, University of Alberta, Edmonton, Alta.
Inst. of Aerospace Research Ottawa, Ont., Canada
Journal of Sound and Vibration,Vol. 253
L. Liu
Y. S. Wong
B. H. K. Lee
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Incompresible, no estacionaria
- No-Linealidad: Holgura en torsión. Perfil rígido
- Resultados/Conclusiones:
El Point Transformation Method es capaz de predecir con fiabilidad la amplitud y frecuencia de respuestas tipo LCO.
28
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación directa a la determinación de la envolvente aeroelástica (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Teor-31] Mayo 2002
‘Nonlinear Aeroelastic Analysis Using the Point Transformation Method,
Part II: Hysteresis Model’
Dep. of Mathematical Sciences, University of Alberta, Edmonton, Alta.
Journal of Sound and Vibration, Vol. 253
L. Liu
Y. S. Wong
B. H. K. Lee
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Incompresible, no estacionaria
- No-Linealidad: Histéresis en torsión. Perfil rígido
- Resultados/Conclusiones:
El Point Transformation Method es capaz de predecir con fiabilidad la amplitud y frecuencia de respuestas tipo LCO.
[Teor-32] Marzo 2003
‘Nonlinear, Transonic Flutter Prediction for F-16 Stores Configuration
Clearance’
Dept. of the Air Force, AFIT, Ohio
Thesis for MS Fulfillment
Raymond G. Toth
- Modelo: NASTRAN F16. Diversas configuraciones de cargas externas.
- Aerodinámica: Numérico con aerodinámica reducida
- No-Linealidad: Holgura en alerón
- Resultados/Conclusiones:
En el ámbito de las hipótesis efectuadas (transónico, con oscilación de pequeña amplitud para las ondas de choque), se muestra buena correlación con lo observado experimentalmente.
[Teor-34] Mayo 2004
‘Aplicación del MAC en el Análisis de Flameo’
E.T.S.I.Aeronáuticos, Madrid (España) CLAEX, Ejército del Aire (España)
Métodos Computacionais Em Engenahria, Lisboa, Portugal
J. López Díez
I. Población
C. Cuerno
A. Güemes
J. Casado
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Cuasiestacionaria
- No-Linealidad: N/A
- Resultados/Conclusiones:
La aplicación del Criterio de Comparación Modal facilita el seguimiento modal y la identificación de las condiciones de flameo.
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación directa a la determinación de la envolvente aeroelástica (continuación)
29
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[Teor-35] Junio 2005
‘Identification of Limit Cycles for Piecewise Nonlinear Transonic
Aeroelastic Systems’
Dept. of Aeroespace Engineering & Engineering Mathematics, Bristol (UK)
35th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, Toronto, Canadá
I. Roberts
A. L. Gaitonde
N. A. J. Lieven
D. P. Jones
- Modelo: Perfil 2D, 2 dof (torsión, flexión)
- Aerodinámica: Modelo de orden reducido de las ecuaciones de Euler para régimen transónico.
- No-Linealidad: Rigidez no lineal / Holgura representada mediante funciones hiperbólicas
- Resultados/Conclusiones:
Buena correlación con datos experimentales
[Teor-36] Agosto 2005
‘Applied Active Control for a Nonlinear Aeroelastic Structure’
Department of Mechanical and Aero Engineering, Clarkson University
- Aerodinámica: Potencial no estacionaria (formulada en ambos dominios, frecuencia y aproximación racional)
- No-Linealidad: Holgura en flap
- Resultados/Conclusiones:
Los resultados obtenidos a través de aproximación racional e integración numérica son parecidos.
[Teor-41] Septiembre 2009
‘Numerical Evaluation of Limit Cycles of Aeroelastic Systems’
Journal of Aircraft, Vol. 46, No. 5,
pp. 1759-1769
Mauro Manetti
Giuseppe Quaranta
Paolo Mantegazza
- Modelo: Multiples para validar el método
- Aerodinámica: Cuasi-estacionaria y aerogeneralizada
- No-Linealidad: Concentradas
- Resultados/Conclusiones:
LCOs identificadas mediante el criterio de estabilidad de Floquet tras resolución numérica.
[Teor-42] Abril 2010
‘Application of Approximate Unsteady Aerodynamics for Flutter Analysis’
NASA Dryden Flight Research Center, Edwards CA 93523-0273
AIAA 2010-3085
Chan-gi Pak
Wesley W. Li
- Modelo: N/A
- Aerodinámica: Aerodinámica subsónica no-estacionaria en el palno de la frecuencia
- No-Linealidad: N/A.
- Resultados/Conclusiones:
Aplica un modelo aerodinámico reducido a las ecuaciones aeroelásticas (matrices de influencia) y lo valida contra datos experimentales.
31
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación directa a la determinación de la envolvente aeroelástica (continuación)
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[Teor-43] Abril 2011
‘Flutter Mechanisms of a Stabilator with a Snag Leading Edge’
52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and
Materials Conference, 2011
Rudolph Yurkovich
- Modelo: Modelo CFD basado en estabilizador F-15
- Aerodinámica: Double Lattice
- No-Linealidad: N/A.
- Resultados/Conclusiones:
El mecanismo de flameo se reproduce en las simulaciones CFD cuando la solución propuesta se basa en las ecuaciones de Euler conjunto con el método de capa límite interactiva.
[Teor-44] Junio 2011
‘Sensitivity Analysis of Limit Cycle Oscillations’
- Aerodinámica: Theodorsen con vortex desprendidos
- No-Linealidad: Rigidez cúbica / Aero no-lineal.
- Resultados/Conclusiones:
La convergencia de los modelos propuestos para distintos valores de los parámetros que intervienen en la dinámica queda demostrada tanot para convergencias lentas como rápidas.
[Teor-45] Mayo 2011
‘Aeroelastic characteristics of slender wing/bodies with freeplay
non-linearities’
Proceedings of The Institution of Mechanical Engineers Part G-
LCO y movimiento caótico a velocidades menores que la de flameo. La frecuencia de LCO aumenta con la velocidad. Oscilaciones divergentes a la velocidad de flameo lineal.
[Teor-46] Noviembre 2011
‘Aeroelastic Response Induced by Free Play, Part 1: Theory’
Aparte de las conclusiones anteriores, la conclusión fundamental es que el ángulo de ataque afecta enormemente a la respuesta de la semiala e, incluso, si es grande, el LCO desaparece.
[Teor-48] Enero 2012
‘Dynamic analysis of two-degree-of-freedom airfoil with freeplay and cubic
nonlinearities in supersonic flow’
Applied Mathematics and Mechanics 33:1, 1-14 Online publication date:
1-Jan-2012
Hu-lun Guo
Yu-shu Chen
- Modelo: Perfil 2D.
- Aerodinámica: Lineal supersónica (pistón de 2º orden)
- No-Linealidad: Holgura y rigidez cúbica no lineal.
- Resultados/Conclusiones:
Se identifican las condiciones de LCO a través del criterio de Floquet y se evalúa la influencia del grado de holgura.
[Teor-49] Abril 2012
‘Flutter and LCO of an All-movable Horizontal Tail with Freeplay’
Dept. of Mechanical Engineering and Material Science, Duke Univ., Durham
Los resultados obtenidos a través de aproximación racional e integración numérica son parecidos.
[Teor-50] Abril 2012
‘An incremental method for limit cycle oscillations of an airfoil with an external
store’
International Journal of Non-Linear Mechanics 47:3, 75-83
Y. M. Chen
J. K. Liu
G. Meng
- Modelo: Perfil 2D con masa concentrada.
- Aerodinámica: Modelo lineal aerodinámico
- No-Linealidad: Rigidez no lineal.
- Resultados/Conclusiones:
Hace uso del método de Levenberg-Marquardt para la resolución de las ecuaciones y lo compara con el modo de balance armónico. LCOs son identificadas como bifurcaciones de Hopff
Tabla 2.2 - Estudios teóricos con aplicación directa a la determinación de la envolvente aeroelástica (continuación)
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[Teor-51] Junio 2012
‘Nonlinear analysis and identification of Limit Cycle Oscillations in an
aeroelastic system’
53rd
AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and
Materials Conference, 2012
A. Abdelkefi
Rui Vasconcellos
Ali Nayfeh
Muhammad Hajj
Omar Badran
- Modelo: Perfil rígido 2D.
- Aerodinámica: Dos modelizaciones: Aero cuasi-estacionaria y Duhamel
- No-Linealidad: Rigidez no lineal en torsión. Lineal en flexión
- Resultados/Conclusiones:
La velocidad de flameo se predice con mayor precisión haciendo uso del modelo de tipo Duhamel.
[Teor-52] Junio 2012
‘The effects of nonlinear bending stiffness on the flutter speed and pitch motion of UAV with high aspect ratio’
30th AIAA Applied Aerodynamics
Conference, 2012
Morgan Tsai
- Modelo: Elementos finitos (modelo UAV).
- Aerodinámica: Double Lattice
- No-Linealidad: Rigidez no lineal en flexión
- Resultados/Conclusiones:
Conforme el modo de cabeceo se vuelve dominante sobre el resto de modos (en particular, el propio modo principal de flexión), la oscilación tiende a diverger .
[Teor-53] Agosto 2012
‘Ground Vibration Test identified structure model for flutter envelope
- Modelo: Estimado (identificado) de GVT experimental
- Aerodinámica: Aerodinámica no estacionaria
- No-Linealidad: N/A
- Resultados/Conclusiones:
Se construye un modelo mixto experimental (estructura) y teórico (aero), de tal forma que la precisión en la estimación de la velocidad de flameo aumenta frente a los modelos tipo NASTRAN puramente teóricos.
[Teor-54] Noviembre 2012
‘Application of pattern search in worst-case flutter solution’
Journal of Aircraft, 2012, Vol.49:
2089-2092
Yingsong Gu
Zhichun Yang
- Modelo: N/A
- Aerodinámica: Método probabilístico µ
- No-Linealidad: N/A
- Resultados/Conclusiones:
Partiendo del modelo probabilístico de Lind, los autores proponen un patrón de búsqueda de la inestabilidad aerodinámica basado en la optimización del amortiguamiento.
Haciendo uso de los modos no-lineales se habilitan los métodos de resolución e interpretación asociados a los modelos lineales. Una de las bases de la presente Tesis.
[Teor-56] Enero 2013
‘Quasi-periodic Time Spectral Method for Aeroelastic Flutter Analysis’
51st AIAA Aerospace Sciences
Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition,
‘Prediction of Flutter Onset Speed Based on Flight Testing at Subcritical
Speeds’
McDonnell Aircraft Corp., St Louis
Journal of Aircraft, Vol. 1, Nº 4
N. H. Zimmerman
J. T. Weissenburger
- Hipótesis: El flameo clásico se manifiesta como coalescencia de dos modos estructurales (torsión y flexión) predominantes.
- Descripción del Procedimiento: Se define un Margen de Flameo basado en la condición necesaria de estabilidad de un sistema de 2 dof y aerodinámica casi-estacionaria. Definido por la frecuencia natural y el amortiguamiento de los dos modos predominantes.
- Resultados/Conclusiones:
Fácil de implementar. Efectos de compresibilidad no considerados. Dificultad de medir el amortiguamiento. El centro aerodinámico se supone constante en
posición, con lo cual no es fiable su uso en transónico.
[Proc-2] 1975
‘On identifying frequencies and damping in subcritical flutter testing’
Aeronautical Research Associates (Princeton)
ARAP Report 257
J. C. Houbolt
- Hipótesis: La excitación del sistema siempre es de tipo senoidal.
- Descripción del Procedimiento: Seis (6) esquemas de identificación son propuestos para evaluar la supresión del ruido en la identificación de la frecuencia y amortiguamiento.
- Resultados/Conclusiones:
El uso de cada esquema viene determinado por el tipo de datos disponibles.
[Proc-3] Octubre 1985
‘Real-Time Flutter Identification’
Integrated Systems Inc., Palo Alto, California
NASA Contractor Report 3933
Richard Roy
Robert Walker
- Hipótesis: Combinación con modelo estructural lineal en el espacio de estado.
- Descripción del Procedimiento: Implementación de un algoritmo extendido de Kalman para identificación modal.
- Resultados/Conclusiones:
Con frecuencia de muestreo lo suficientemente alta (típicamente 200 Hz), el modelo aeroelástico lineal es suficiente para estimar con precisión la estabilidad del sistema.
36
Tabla 2.3 – Procedimientos propuestos de ensayo (continuación)
Referencia Interna
Fecha de Publicación
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Proc-4] Junio 1989
‘Method for Experimental Determination of Flutter Speed by
Parameter Identification’
NASA Ames Research Center Dryden Flight Research Facility
NASA TP-2923
E. Nisslm
Glenn B. Gilyard
- Hipótesis: Formulación matricial-lineal de la estructura + Aero simplificada de Padé (sin términos de retardo).
- Descripción del Procedimiento: Manteniendo Mach constante, efectuar la expansión en presión dinámica identificando [K], [C] y [F] y, a partir de ahí, los coeficientes aerodinámicos para extrapolar.
- Resultados/Conclusiones:
Procedimiento muy sensible a los parámetros de excitación (necesario diferentes patrones de excitación en las mismas condiciones de vuelo).
La aproximación de Padé es adecuada para predecir las condiciones de flameo.
[Proc-5] Enero 1998
‘Flutter Boundary Prediction Using Experimental Data’
Massachussetts Institute of Technology
A. Turevskiy
- Hipótesis: Modelo estructural de elementos finitos + Aproximación Aerodinámica de Padé sintonizado con frecuencias y amortiguamientos experimentales.
- Descripción del Procedimiento: De los datos experimentales, se ajusta una función racional de transferencia de la que se derivan la frecuencia y el amortiguamiento. Valores ajustan el modelo teórico,
- Resultados/Conclusiones:
Las frecuencia ajustan mejor que los amortiguamientos, aunque la identificación se hace por coalescencia de modos.
Dificultad en apreciar los modos dominantes,
[Proc-6] Abril 1997
‘Evaluation of Classical Flutter Analyses for the Prediction of Limit
Cycle Oscillations’
SEEK EAGLE OFFICE, Eglin, FLA
Aurburn University, Alabama
AIAA Paper 97-1021
Charles M. Denegri Jr.
Malcolm A. Cutchins
- Hipótesis: El análisis clásico de flameo es aplicado para la determinación preliminar de la envolvente aeroelástica de una aeronave con no-linealidades aerodinámicas (transónico).
- Descripción del Procedimiento: Determinación preliminar de la envolvente aeroelástica mediante un modelo NASTRAN+Doublet Lattice. La expansión de envolvente se efectúa en Mach a altitud constante.
- Resultados/Conclusiones:
Aunque no se predice LCO, como el mecanismo es similar, las configuraciones de cargas externas más críticas de LCO sí son identificadas.
El amortiguamiento es crítico!.
37
Tabla 2.3 – Procedimientos propuestos de ensayo (continuación)
Referencia Interna
Fecha de Publicación
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Proc-7] Marzo1998
‘Robust Flutter Margin Analysis that Incorporates Flight Data’
Dryden Flight Research Center, Edwards, California
NASA/TP-1998-206543
Martin J. Brenner
Rick Lind
- Hipótesis: Modelo NASTRAN ajustado con datos experimentales.
- Descripción del Procedimiento: Estimación de los márgenes de estabilidad aeroelástica mediante wavelets.
- Resultados/Conclusiones:
Margen aeroelástico robusto determinado en función de las incertidumbres del sistema.
Ampliación a la determinación de LCOs mediante un operador no-lineal.
En ambos casos, muy sensiblea a las incertidumbres.
[Proc-8] Septiembre 1998
‘On-Line Robust Modal Stability Prediction using Wavelet Processing’
Dryden Flight Research Center, Edwards, California
NASA/TM-1998-206550
Martin J. Brenner
Rick Lind
- Hipótesis: Modelo NASTRAN ajustado con datos experimentales.
- Descripción del Procedimiento: Estimación de los márgenes de estabilidad aeroelástica mediante wavelets.
- Resultados/Conclusiones:
La predicción se ve severamente afectada por la estimación de las incertidumbres.
La determinación de la envolvente aeroelástica es aún excesivamente conservativa .
[Proc-9] September 2003
‘Flight Test Evaluation of Flutter Prediction Methods’
University of Florida
Journal of Aircraft, Vol. 40, Nº 5
Rick Lind
- Hipótesis: N/A
- Descripción del Procedimiento: Se evalúan cinco (5) metodologías: Extrapolación del amortiguamiento, función de la envuelta, margen de flameo, fluterometer, modelización discreta en el tiempo.
- Resultados/Conclusiones:
A velocidades bajas, el comportamiento de metodologías asociadas a modelos (margen de flameo, fluterometer, modelización) son más fiables.
A altas velocidades, las metodologías asociadas a datos son más precisas, pero menos conservativas.
38
Tabla 2.3 – Procedimientos propuestos de ensayo (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Proc-10] Enero 2007
‘A Novel Technique For Educating Aeroelasticity Engineers’
The Boeing Company, St Louis, Miss
AIAA Paper 2007-701
Dale M. Pitt
- Hipótesis: N/A
- Descripción del Procedimiento: Describe una técnica educativa basada en: Simulación NASTRAN (análisis preliminar) + Construcción de modelo + Expansión en velocidad de la envolvente aeroelástica.
- Resultados/Conclusiones:
Es fundamental un entendimiento profundo de los mecanismos de flameo.
[Proc-11] Enero 2007
‘Volterra Kernel Extrapolation for Modeling Nonlinear Aeroelastic
Systems at Novel Flight Conditions’
University of Florida and more
Journal of Aircraft, Vol. 44, Nº 1
Richard J. Prazenica
Patrick H. Reisenthel
Andrew J. Kurdila
Martin J. Brenner
- Hipótesis: Caracterización del modelo estructural por series de Volterra derivadas de datos experimentales.
- Descripción del Procedimiento: Modelo aeroelástico expresado en series de Volterra (en función de la altitud y número de Mach), ajustado por datos experimentales y extrapolado para predecir las condiciones de inestbilidad aeroelástica.
- Resultados/Conclusiones:
Los resultados se ven sesgados por el ruido de los datos experimentales.
- Hipótesis: La predicción de inestabilidades tipo LCO obedece a un esquema asimilable a sist. de control.
- Descripción del Procedimiento: Formulación racional de un esquema realimentado con controladores no lineales sintonizados con datos experimentales.
- Resultados/Conclusiones:
La metodología sólo ha sido validada en un modelo de perfil 2D con resultados satisfactorios.
[Proc-13] Abril 2008
‘Flutter Prediction using Data-Based Aeroelastic Parameter Varying Models’
ZONA Tech, Univ Florida and more
AIAA Paper 2008-1900
Dario H. Baldelli
Jie Zeng
Rick Lind
Chuck Harris
- Hipótesis: Esquema de realimentación asimilable a un sistema de control, incluyendo identificación de parámetros en el plano de la frecuencia y análisis robusto de la estabilidad.
- Descripción del Procedimiento: Definir un modelo paramétrico, basado en una descomposición fraccionaria, sintonizable con datos de vuelo.
- Resultados/Conclusiones:
Validado en túnel de viento (perfil 2D) y en vuelo. Menos puntos necesarios que otros métodos.
39
Tabla 2.3 – Procedimientos propuestos de ensayo (continuación)
Referencia Interna
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[Proc-14] Abril 2011
‘Flutter Prediction for Flight/Wind-Tunnel Flutter Test Under Atmospheric
Turbulence Excitation’
Journal of Aircraft: 1-14
10.2514/1.C031710
Richard J. Prazenica
Patrick H. Reisenthel
Andrew J. Kurdila
Martin J. Brenner
- Hipótesis: N/A
- Descripción del Procedimiento: Predicción de la velocidad de flameo con datos procedentes de ensayos experimentales de túnel aerodinámico. Se definen tres (3) pasos: Proceso de datos (potencia espectral), identificación de modos en el plano de la frecuencia, aplicación del Margen de Flameo clásico.
- Resultados/Conclusiones:
Validado en subsónico y supersónico contra datos experimentales (Aeroelastic Test WIng) y numéricos (Supersonic semispan wing).
[Proc-15] Abril 2011
‘GVT-Based Ground Flutter Test Without Wind Tunnel’
52ndAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and
Materials Conference, 2011
Jie Zeng
Dallas Kingsbury
Erich Ritz
Ping-Chih Chen
Dong-Hwan Lee
Marc Mignolet
- Hipótesis: El mecanismo de flameo se puede predecir sin necesidad de validarlo en túnel aerodinámico.
- Descripción del Procedimiento: Basado en efectuar una GVT en la que las fuerzas excitadoras se asemejan a las cargas aerodinámicas que la aeronave va a sufrir en vuelo. Permite incluir actuadores con las leyes de control de los sistemas de mandos de vuelo (aeroservoelasticidad).
- Resultados/Conclusiones:
Validado contra placa plana rectangular con tres (3) distribuciones de masa distintas.
[Proc-16] Enero 2013
‘Flutter Margin Evaluation for Three-Mode Discrete-Time Systems’
52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and
Materials Conference, 2011
Hiroshi Torii
Yuji Matsuzaki
- Hipótesis: Extender el método de Margen de Flameo a un sistema de tres (3) Modos.
- Descripción del Procedimiento: Método del Margen de Flameo aplicado a tres (3) Modos en vez de dos (2).
- Resultados/Conclusiones:
Validado contra un modelo numérico de ala continua y en túnel aerodinámico supersónico.
Tabla 2.4 - Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas
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[Caso-1] Agosto 1943
‘Preliminary Vibration and Flutter Studies on P-47 Tail’
Langley Memorial Aeronautical Laboratory, Langley Field, Va
NACA Memorandum Report
Theodore Teodorsen
- Aeronave/Modelo: Avión P-47
- Descripción del Caso: Flameo en el timón de dirección a 468 TAS y 9 KFt.
- Comentarios:
Flameo provocado por baja rigidez del timón.
[Caso-2] Marzo 1954
‘Subsonic Flutter Tests of an Unswept All Movable Horizontal Tail’
Wright Air Development Center
WADC Technical Report 54-53
Niles R. Hoffman
Irvin N. Spielberg
- Aeronave/Modelo: [Túnel de Viento]. Estabilizador horizontal recto con holgura en encastre.
- Descripción del Caso: Investigación de los mecanismos de flameo para el sistema anterior en función de la rigidez flexión/torsión y de la holgura.
- Comentarios:
Para una relación de rigideces flexión/torsión del orden de 0.9, la velocidad de inestabilidad aeroelástica disminuye con la holgura (LCO?) hasta un tamaño por encima del cual, la velocidad de LCO permanece constante con la holgura.
[Caso-3] Abril 1975 ‘F-15 Flight Flutter Testing – Aircraft
systems and test operations’
McDonnell Aircraft Company
D. Nash
Henry Katz
W. Moody
- Aeronave/Modelo: Avión F15
- Descripción del Caso: Programa de clareado de las envolventes de vuelo el F15 y de las correspondientes configuraciones de cargas externas.
- Comentarios:
Aplicación directa del método de Margen de Flameo (Zimmerman), identificando los dos (2) Modos predominantes del mecanismo de flameo . Debido a la poca influencia de los cambios de altitud, se aplicó con dos (2) Metodologías: Mach cte y Altitud cte.
No posible predecir LCOs.
[Caso-4] Agosto 1985 ‘Flutter Clearance of the Schweizer
1-36 Deep Stall Sailplane’’
NASA Technical Memorandum 85917
Michael W. Kehoe
Joseph F. Ellison
- Aeronave/Modelo: Velero Schweizer 1-36 modificado para ensayos de pérdidas
- Descripción del Caso: Estabilizador horizontal a 70º.
- Comentarios:
Reducción de la velocidad de flameo en la pérdida.
41
Tabla 2.4 – Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas (continuación)
Referencia Interna
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[Caso-5] Octubre 1989
‘Flutter Clearance of the F-18 High-Angle-of-Attack Research Vehicle with Experimental Wingtip Instrumentation
Pods’
NASA Technical Memorandum 4148
Lawrence C. Freudinger
- Aeronave/Modelo: Avión HARV F-18
- Descripción del Caso: Un F-18 estándar es modificado para ensayos a alto ángulo de ataque (se añaden pods con cámaras en la punta de plano). El programa para el clareado de la nueva configuración se hace con excitación atmosférica.
- Comentarios:
La disminución de la rigidez a torsión provocó un decremento de la velocidad de flameo en un 8%.
Se detectaron LCOs en el timón izquierdo de dirección que desaparecieron al eliminar la holgura.
[Caso-6] Agosto 1990
‘Limit Cycle Oscillation and Flight Flutter Testing’
SFTE, Annual Symposium, 21, CA
Pages 3.4.1 to 3.4.12
William J. Norton
- Aeronave/Modelo: F16, F5, F111, F18, F15
- Descripción del Caso: Descripción de configuraciones típicas que sufren LCO. Soluciones adoptadas
- Comentarios:
Definición de una metodología para anticipar LCOs basada en incrementos de presión dinámica.
[Caso-7] Enero 1996
‘Nonlinear Aeroelastic Response – Analyses and Experiments’
Texas A&M University, College Station
AIAA Paper 96-0014
Todd O’Neil
- Aeronave/Modelo: Perfil 2D de rigidez no lineal
- Descripción del Caso: Influencia de la holgura en el mecanismo de flameo para un perfil 2D.
- Comentarios:
Retrasar el centro elástico aumenta la velocidad de flameo.
La amplitud de los LCOs se reduce al aumentar la no linealidad en la rigidez de los muelles.
[Caso-8] Septiembre 2000
‘Limit Cycle Oscillation Flight Test Results of a Fighter with External
Stores’
USAF SEEK EAGLE Office, Eglin, FLA
Journal of Aircraft, Vol.37, Nº 5
Charles M. Denegri Jr
- Aeronave/Modelo: Avión F-16, Block 15
- Descripción del Caso: Evaluación de los distintos tipos de inestabilidad aeroelástica (flameo, LCO típico y LCO no-típico).
- Comentarios:
LCOs en régimen transónico dependientes de la inercia de las cargas externas añadidas.
42
Tabla 2.4 – Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Caso-9] Agosto 2001
‘Airbus Elevator Flutter: Annoying or Dangerous’
Aviation Week & Space Technology
John Croft
- Aeronave/Modelo: Avión A320 series
- Descripción del Caso: Vibraciones (LCOs) inducidas en cabina por holgura en elevador.
- Comentarios:
Cambio de la periodicidad de la comprobación de la holgura en elevador.
[Caso-10] Julio 2002
‘The stability of limit-cycle oscillations in a nonlinear aeroelastic system’
Duke University, Durham, NC (USA)
The Royal Society, London (UK)
S. T. Trickey
L. N. Virgin
E. H. Dowell
- Aeronave/Modelo: Perfil 2D con holgura modificable [Túnel de Viento]
- Descripción del Caso: Evaluación del comportamiento aeroelástico en función de la holgura y la velocidad.
- Comentarios:
Los LCOs describen trayectorias cerradas en el espacio de fase.
[Caso-11] Abril 2003
‘F/A-18E/F SuperHornet Flutter Clearance Program’
The Boeing Company, St. Louis, MI
US Naval Air Command, PAX, MR
W. Brian Hayes
Charles E. Goodman
Kelan D. Sisk
- Aeronave/Modelo: Avión F/A-18E/F
- Descripción del Caso: Descripción programa F-18EF.
- Comentarios:
Programa considerado „estado del arte‟ y aún hace uso del Margen de Flameo.
[Caso-12] Junio 2003
‘Limit-Cycle Oscillation Experiments at a Transport Aircraft Wing Model’
Institut für Aeroelastik, DLR, The Netherlands
IFASD 2003, Amsterdam
G. Dietz
G. Schewe
F. Kiebling
M. Sinapius
- Aeronave/Modelo: Semiala [Túnel de Viento]
- Descripción del Caso: Evaluación de LCOs en régimen transónico.
- Comentarios:
Parámetros que intervienen en el mecanismo de LCO: Mach, ángulo de ataque y relación entre fuerzas aerodinámicas y estructurales..
[Caso-13] Agosto 2003
‘Nonlinear effects in transonic flutter with emphasis on manifestations of
limit cycle oscillations’
Institut für Aeroelastik des DLR
Journal of Fluids and Structure, Vol. 18
G. Schewe
H. Mai
G. Dietz
- Aeronave/Modelo: Perfil 2D [Túnel de Viento]
- Descripción del Caso: Evaluación de LCOs en régimen transónico..
- Comentarios:
LCO durante la transición de capa límite laminar a turbiulenta, separación de flujo e interacción con las ondas de choque.
43
Tabla 2.4 – Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Caso-14] Abril 2005
‘High-Order Spectral Analysis of F-18 Flight Flutter Data’
NASA Langley Research Center, VI
Defense Science and Tech Org,DoD, Australia
AIAA Paper 2005-2014
Walter A. Silva
Shane Dunn
- Aeronave/Modelo: Avión CF-18
- Descripción del Caso: Identificación y predicción de LCOs en el F-18 con misiles en punta de plano.
- Comentarios:
Un análisis espectral más comleto sería capaz de identificar LCOs. La hipótesis fundamental es que las LCOs están ligadas a componentes complejas en frecuencia, a diferencia del flameo clásico.
[Caso-15] Abril 2007
‘Maximum Control Surface Freeplay, Design and Flight Testing Approach on
- Descripción del Caso: Validación experimental de la máxima holgura permitida en alerones y timones del F22.
- Comentarios:
Criterio de permisividad LCO: +/-10% momento de charnela y +/-0.12g en el asiento del piloto.
La holgura se modeliza a través de una rigidez variable que es función de la deflexión y de la holgura máxima. En base a ello, se aplica el Margen de Flameo con rigidez parametrizada.
Las maniobras se inicializan en condiciones de Momento de Charnela cero.
[Caso-16] Julio 2008
‘Theoretical and Experimental Aeroelastic Study for Folding Wing
Structures’
Duke University, Durham, NC
Journal of Aircraft, Vol. 45, Nº 4
Deman Tang
Earl H. Dowell
- Aeronave/Modelo: Modelo de ala con diversos dihedros [Túnel de Viento]
- Descripción del Caso: Estudio teórico y experimental de la influencia del ángulo de dihedro en la velocidad de flameo..
- Comentarios:
A medida que el ángulo de dihedro ‘interior’ aumenta, la velocidad de flameo aumenta. El dihedro ‘exterior’ debe ser cero para que la velocidad de flameo sea máxima.
LCO detectado (subsónico) experimentalmente, que los modelos lineales no predicen.
44
Tabla 2.4 – Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Caso-17] Abril 2009
‘All-Movable Control Surface Free Play’
Lockheed Martin Aeronautics, FW
Aerospace Flutter and Dynamics Council, NASA LaRC, Hampton, VI
Carlton Schlomach
- Aeronave/Modelo: Modelo F-35 [Túnel de Viento]
- Descripción del Caso: Validación de modelos teóricos con datos experimentales del efecto de la holgura en el encastre de la superficie de control horizontal.
- Comentarios:
LCOs siempre aparecen con la holgura Y el momento de charnela es pequeño (superficie no precragada).
La amplitud del LCO aumenta aumentar la velociad o la holgura.
LCOs pueden ser suprimidas al eliminar la holgura o precargando la superficie de mando.
[Caso-18] Agosto 2010
‘A380 – Flutter tests’
Safety First – Airbus Safety Magazine
Edition August 2010
Claude Lelaie
- Aeronave/Modelo: Avión A380
- Descripción del Caso: Descripción somera del programa para la expansión de la envolvente aeroelástica del A380.
- Comentarios:
La expansión de la envolvente aeroelástica combina los datos experimentales con modelos ya validados.
[Caso-19] Abril 2012
‘Experiments on a pitch-plunge wing undergoing limit cycle oscillation’
University of Liege,Liege 4000, Belgium
AIAA 2012-1797
Norizham A. Razak
Jose I. Rothkegel
G. Dimitradis
- Aeronave/Modelo: Modelo semiala a escala
- Descripción del Caso: Evaluación del flameo clásico y de LCO en túnel de viento sobre un dispositivo de medida estructural que aloja un modelo a escala de semiala metálica (sección NACA 0012).
- Comentarios:
La amplitud del LCO detectado depende del ángulo de ataque.
Con las restricciones implementadas, la frecuencia de la LCO no depende del ángulo de ataque.
45
Tabla 2.4 – Casos específicos de estudio y lecciones aprendidas (continuación)
Referencia Interna
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Autor/Autores Resumen/Información de interés
[Caso-20] Septiembre 2013
‘Underwing Missile Aerodynamic Effects on Flight-Measured Limit-Cycle
Oscillations’
Journal of Aircraft, 2013
Vol.50: 1637-1645
C. M. Denegri Jr.
James A. Dubben
S. L. Kernazhitskiy
- Aeronave/Modelo: F-16
- Descripción del Caso: Las características de LCO en el F16 varían dependiendo de las variaciones de geometría de los misiles que se pueden instalar bajo plano.
- Comentarios:
Para el caso de misiles en punta de plano, aquellos misiles de mayor longitud exhiben más tendencia a LCO que misiles más cortos.
De vuelos de ensayo, se deduce que la onda de choque anclada a la parte delantera del misil es parte contribuyente fundamental a la presencia de LCO en condiciones de vuelo supersónicas.
c. Respuesta dinámica: Respuesta transitoria de la estructura de la aeronave ante cargas
impulsivas derivadas de ráfagas, aplicación abrupta de los controles, ciclos de ondas de
choque.
Adicionalmente a los fenómenos identificados por Collar, a lo largo de los años se ha
puesto de manifiesto de ampliar el triángulo de Collar incluyendo el efecto del control automático
de los mandos de vuelo y, más recientemente, el fenómeno de las oscilaciones de amplitud
limitada (LCOs, Limit Cycle Oscillations). El origen de este último fenómeno no está aún claro
(Dowell, 2010), si bien es aceptado que la presencia de modos de giba (López Diez, 2004) o de
no-linealidades, tanto aerodinámicas como estructurales, (Norton 1990 y Denegri 1997)
contribuyen a que una LCO se manifieste.
3.3 Fundamento teórico de la metodología propuesta
La envolente aeorelástica de una aeronave está limitada por todos los fenómenos
aeroelásticos que se han descrito en el apartado anterior. Todos los procesos asociados a la
determinación de dicha envolvente (estudios teóricos + ensayos) están orientados a asegurar que
dentro de la envolvente ya certificada no se produce ninguno de ellos o, caso de producirse, no es
catastrófico ni degrada las cualidades o sistemas de la aeronave. En este sentido, se han
desarrollado multitud de modelos teóricos y metodologías de ensayo capaces de predecir con
gran fiabilidad prácticamente todos aquellos que se encuadran en un comportamiento aeroelástico
lineal. Sin embargo, la fiabilidad en la predicción de fenómenos aeroelásticos asociados a no-
linealidades (por ejemplo, las LCOs), tanto en el campo teórico (modelos) como experimental
(ensayos) aún debe mejorar. Las razones son diversas:
Dificultad en la resolución de las ecuaciones aeroelásticas con no-linealidades en los
modelos.
Dependencia del comportamiento aeroelástico con las condiciones iniciales.
Incertidumbre en el grado (y origen) de la no-linealidad de la aeronave a ensayar, tanto
estructuralmente como aerodinámicamente.
Posible comportamiento caótico de la aerodinámica bajo ciertas condiciones de vuelo
(incluyendo las condiciones de potencia para el caso de aviones propulsados a hélice).
57
En particular, durante la expansión en tiempo real de una envolvente de vuelo , reviste
especial interés diferenciar entre una LCO y el Flameo. Confundir una LCO con Flameo puede
llevar a limitar excesivamente una envolvente de vuelo, mientras que confundir Flameo con una
LCO puede llevar a un fallo catastrófico. Si bien existen metodologías consolidadas para predecir
el Flameo en vuelo (Zimmerman y Weisenburger, 1964, Nissim 1989), las metodologías
propuestas para predecir LCOs (Lind y Brenner 1998 y Baldelli 2007), se hallan lejos de estar
consolidadas.
3.3.1 Flameo clásico vs LCO
Al objeto de proponer una metodología capaz de predecir LCOs en tiempo real,
distinguiéndolas del flameo, se presentan las diferencias básicas entre ambos fenómenos.
Tabla 3.1 – Flameo clásico vs LCO
Flameo Clásico LCO
Descripción - Oscilación divergente a una determinada
velocidad y a una única frecuencia.
LCO Típica: Oscilaciones de amplitud constante, a frecuencia única, incrementándose progresivamente dicha amplitud con la velocidad y el Mach.
LCO No-Típica: Oscilaciones de amplitud constante, a frecuencia única, incrementándose en dicha amplitud con la velocidad y el Mach para reducirse por encima de un determinado número de Mach.
Mecanismo
- Coalescencia del modo principal de flexión con el modo principal de torsión.
- Reducción progresiva del amortiguamiento
- Coalescencia de un ‘modo no-lineal’.
Causas posibles
- Poca rigidez de la estructura.
- Centro de gravedad de las cargas externas atrasado.
- Acoplamiento de estela aerodinámica de partes de la aeronave con la estructura.
- Poca rigidez de la estructura.
- No linealidad estructural: Holgura o rigidez cúbica.
- No linealidad aerodinámica: Transónico o fenómenos de desprendimiento de capa límite.
Modelos teóricos
- Aerodinámica y estructura lineales.
- Modelos numéricos 3D
- Resolución en el dominio de la frecuencia, haciendo uso de fuerzas aerodinámicas generalizadas evaluando la frecuencia y el amortiguamiento con la velocidad.
- Algunos modelos incorporan aerodinámica transónica y no linealidades estructurales.
- Modelos 2D: Analíticos y numéricos. No lineal tanto con aerodinámica como con estructura.
- Modelos numéricos con aerodinámica racional de orden reducido.
58
De la Tabla anterior, se infiere que:
Ambos fenómenos son oscilatorios a una única frecuencia.
Ambos fenómenos se desarrollan progresivamente (con menor o mayor grado de
intensidad) con la velocidad y/o el Mach.
El mecanismo de flameo clásico es conocido, mientras que el de las LCOs depende,
entre otras cosas, del tipo de no-linealidad. En cualquier caso, no es posible conocer a
priori con exactitud la magnitud de no-linealidad estructural que sufre una
determinada aeronave.
En definitiva, modelizar a priori no-linealidades de una aeronave nueva o de una nueva
configuración para incluirlas en un modelo, a su vez, no-lineal no es fiable puesto que la mayor
incertidumbre está en la propia no-linealidad. Adicionalmente, el mecanismo asociado a una
LCO tampoco es siempre el mismo. En consecuencia, la manera más directa de identificar una
LCO y distinguirla del flameo es establecer una metodología de predicción en tiempo real basada
en las características de la misma una vez que está desarrollada:
Frecuencia única para una velocidad determinada y asociada a una coalescencia
de modos (si bien, no identificados a priori).
Amplitud constante para velocidades fijas.
Por tanto, la metodología que se propone es:
a - Definir un conjunto de parámetros a monitorizar fácilmente instrumentables
(típicamente, aceleraciones o deformaciones).
b - Desarrollar un algoritmo de comportamiento cíclico que cumpla la condición
matemática de mantener constante la amplitud con el tiempo.
c - Evaluar la sensibilidad de dicho algoritmo con la velocidad.
d - Establecer un criterio de predicción de LCOs basado en la coalescencia de modos.
59
3.3.2 Formulación matemática de la metodología propuesta
La formulación matemática que sustenta la metodología propuesta se basa en las siguientes
hipótesis:
a - Los fenómenos típicos de flameo y LCOs involucran a dos modos aeroelásticos
principales, típicamente, torsión y flexión (Theodorsen, 1934). La diferencia entre
ambos es que, en el caso del LCO, uno de los modos es un modo derivado de una no-
linealidad estructural o existe un tercer modo adicional derivado de una no-linealidad
aerodinámica que interviene en el mecanismo del LCO.
b - A efectos de extraer conclusiones generales, es suficiente considerar un sistema
aeroelástico de dos grados de libertad (típicamente, un perfil bidimensional), en el que
no son considerados efectos tridimensionales (Patil, 2000 y Toth, 2003).
c - No-linealidades de tipo „holgura‟ favorecen la aparición de LCOs en el mismo sentido
que otras no-linealidades de tipo cúbico-estructural o de naturaleza aerodinámica. Por
tanto, las conclusiones extraidas del comportamiento de un modelo aeroelástico con
holgura pueden ser extrapoladas, con limitaciones, a sistemas con no-linealidades
distintas de la holgura (Liu, 2002 y Tang, 2006).
d - A efectos de mecanismo de un fenómeno aeroelástico y predicción de velocidad y
frecuencia a las que dichos fenómenos se manifiestan, la precisión proporcionada por
una aerodinámica cuasi-estacionaria es mejor del 15% (tolerancia estructural
establecida por la Normas civiles y militares.
Por tanto, de las hipótesis anteriores, se deduce que un modelo aeroelástico bidimensional
con aerodinámica lineal cuasi-estacionaria y holguras estructurales (modelizadas como muelles
de rigidez lineal a tramos o cúbica) proporcionará una descripción cualitativa y quantitativa lo
suficientemente precisa para sustentar una metodología de expansión de envolvente aeroelástica
en tiempo real.
Al objeto de extraer las primeras conclusiones se propone analizar un perfil bidimensional
inmerso en aerodinámica quasi-estacionaria en dos casos distintos:
A) Rigidez lineal en torsión y holgura en flexión.
B) Rigidez lineal en flexión y holgura en torsión .
60
El modelo bidimensional propuesto se desarrolla a continuación (criterio de signos positivo
en el sentido de la flecha), en el que todos los momentos se referencian al eje elástico.
Figura 3.2. – Modelo aeroelástico bidimensional. Muelles con rigidez lineal+cúbica
Las fuerzas elásticas de flexión y torsión están aplicadas en el eje elástico. Adicionalmente,
las fuerzas aerodinámicas, consistentes en sustentación y momento, están también referidas al eje
elástico.
Las fuerzas aerodinámicas (modelo cuasi-estacionario) se modelizan como:
L 2 b (h U ) U (3.1)
2 1M 2 b (h U ) (a ) U
2 (3.2)
Las ecuaciones que definen la dinámica son:
2
hm h 2 b U h S 2 b U F (3.3)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I 2 b (a ) U F
2 2 (3.4)
61
Siendo:
S m b x : Momento de masas por unidad de envergadura con respecto del eje elástico
I : Momento de inercia por unidad de envergadura con respecto del eje elástico
Fh y F : Fuerzas estructurales en el eje de flexión y torsión respectivamente.
3.3.2.1 Rigidez lineal en torsión y holgura en flexión
Figura 3.3 – Modelos de la fuerza de torsión (izda.) y de flexión (dcha.)
Dado que la holgura en flexión está limitada al intervalo [- /2 + /2], el análisis de la
estabilidad que gobierna la dinámica se puede efectuar independientemente en tres áreas:
- Area I: h > + /2; Fh = -Kh*(h- /2)
- Area II: h < + /2 y h > - /2; Fh = 0
- Area III: h < - /2; Fh = -Kh*(h+ /2)
Por tanto, las ecuaciones en cada Área serán:
- Area I:
2
h hm h 2 b U h K h S 2 b U K 02
(3.5)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I (K 2 b U (a )) 0
2 2 (3.6)
62
- Area II:
2m h 2 b U h S 2 b U 0 (3.7)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I (K 2 b U (a )) 0
2 2 (3.8)
- Area III:
2
h hm h 2 b U h K h S 2 b U K 02
(3.9)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I (K 2 b U (a )) 0
2 2 (3.10)
A fin de favorecer el análisis, desde un punto de vista matemático, el comportamiento
dinámico puede ser evaluado a través de un giro conceptual: Se supondrá que la holgura es nula y
se desarrollará la formulación en formato matricial. A partir de ahí, se considerarán dos casos:
Holgura en flexión (correspondiente al Area II): Kh = 0
Flexión lineal (correspondientes a las Areas I y III): Kh >> 0
En tal caso, las ecuaciones a considerar son:
2
hm h 2 b U h K h S 2 b U 0 (3.11)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I (K 2 b U (a )) 0
2 2 (3.12)
Formulando las ecuaciones anteriores en términos matriciales y renombrando los
parámetros:
21 hh
hh2
21
2
hh1
hh2
1
2
63
Se obtienen las siguientes expresiones:
1 2h h (3.13)
1 2h h (3.14)
2 2
2 2 h 1 1 2h U h h U b x (3.15)
2 2
2 2 h 1 1 2h U h h U b x (3.16)
1 2
(3.17)
2 2 2 2
2 1 2 h 12 2
1 1 1b r U (x a ) U (x a ) h x h
2 2b (x r ) (3.18)
Siendo:
: Frecuencia natural de flexión
: Frecuencia natural de torsión
: Parámetro de masa
Definiendo la siguiente notación:
11
21 22 23 22
11
41 42 43 22
0 1 0 0 hh
a a a 0 hh
0 0 0 1
a a a 0
(3.19)
Donde:
22
21 h2 2
ra
(x r )
2
22 2 2
1(r x a )
2a U
(x r )
m
b2
I
K2
m
Kh2
h
64
2 2 2 2
23 2 2
1 1a U r x (a ) b r
2(x r )
2
h41 2 2
xa
b (x r )
42 2 2
1(x a )
2a Ub (x r )
2 2 2
43 2 2
1 1a b r x a U
2b (x r )
El comportamiento del perfil dependerá de la ecuación característica de la matriz de [4x4]
definida por los parámetros a21, a22, a23, a41, a42, a43. Dicha ecuación será distinta dependiendo del
valor que alcance la flexión. Dentro del área de holgura (Area II), la rigidez en flexión es nula.
Fuera del área de holgura (Areas I y III), se considerará rigidez lineal en flexión.
Matemáticamente:
1) Area II (holgura en flexión)
11
22 23 22
11
42 43 22
0 1 0 0 hh
0 a a 0 hh
0 0 0 1
0 a a 0
(3.20)
Ecuación característica en el interior del área de holgura:
22 23 22 2322 23
42 43
42 43
p 1 0 0
0 a p a 0 a p aa p adet p det det 0
0 0 p 1 a a0 p
0 a a p
(3.21)
Por tanto:
3 2
22 43 22 43 23 42p a p a p (a a a a ) 0 (3.22)
0aa 41210K hh
65
2) Areas I y III (rigidez lineal en flexión) 0Kh 0aa 4121
11
21 22 23 22
11
41 42 43 22
0 1 0 0 hh
a a a 0 hh
0 0 0 1
a a a 0
(3.23)
Ecuación característica fuera del área de holgura:
22 23 21 23
21 22 23
42 43 41 43
41 42 43
p 1 0 0a p a 0 a a 0
a a p a 0det p det 0 p 1 det 0 p 1 0
0 0 p 1a a p a a p
a a a p
(3.24)
22 23 21 2322 21
42 43 41 4342 41
a p a a aa p 0 a 0p (p det det ) (p det det ) 0
a a a aa p a p (3.25)
Por tanto:
4 3 2
22 43 21 23 42 22 43 21 43 23 41p a p (a a ) p (a a a a ) p (a a a a ) 0 (3.26)
Comparando las dos ecuaciones anteriores se manifiesta que el comportamiento dinámico
del perfil dentro o fuera del intervalo de holgura en flexión depende fundamentalmente del valor
del parámetro a21. Adicionalmente, siendo a21 siempre negativo, la estabilidad del sistema es
función de la inercia en el eje de torsión y de la rigidez en flexión con respecto a los términos a22
y a43, que dependen fundamentalmente de la velocidad. Por tanto, profundizando en los conceptos
derivados de la formulación anterior, se deduce que:
Para que existan LCOs a velocidades inferiores a las de flameo, cuando una no-
linealidad de tipo holgura está presente, es condición necesaria que, en el interior de
la zona de holgura, la dinámica del perfil sea ligeramente divergente.
Si la dinámica del perfil es divergente fuera del área de holgura,
independientemente del comportamiento en el interior de la misma, se alcanzarán
condiciones de Flameo sin generar LCOs a velocidades inferiores.
Consecuentemente, en sistemas con no-linealidades de tipo holgura, para que se
manifiesten LCOs a velocidades inferiores de las de Flameo, es necesario que se
cumplan simultáneamente dos condiciones:
66
Dinámica ligeramente divergente en el interior del intervalo de holgura.
Dinámica ligeramente convergente fuera del intervalo de holgura.
Traduciendo las conclusiones anteriores en el plano de fases de flexión (deformación +
velocidad de deformación), la condición necesaria para sufrir LCOs a velocidades inferiores a las
de flameo es llegar a un sistema oscilatorio cerrado en dicho plano de fases. Las ramas en el
intervalo de holgura deberán ser divergentes mientras que, fuera del plano de holgura, deberán
ser convergentes. Gráficamente, se pueden presentar dos escenarios en el plano de fases que
cumplan lo anterior (Figura 3.4). La curva gris correspondería a una dinámica degradada:
NOTA: Las Areas descritas en la corresponden a las definidas en los Apartados anteriores para una condición de LCO: Area II es el intervalo de
holgura en Flexión (en primera aproximación, y coherentemente con la hipótesis de que la holgura es pequeña, se considera que la aceleración en
el interior de dicho intervalo es constante), mientras que las Areas I y III corresponden a deflexiones fuera de la holgura. Para que exista LCO (o
recorrido cerrado en el plano de fase) es condición necesaria que las condiciones de deflexión y velocidad en los „puntos frontera (1, 2, 3 y 4)‟
sean las mismas tanto del lado de la holgura como del lado donde ya no existe esa holgura. Imponiendo dichas condiciones, se llega a la
conclusión cualitativa de que la condición necesaria de LCO pasa por un comportamiento divergente en la zona de holgura y convergente en el
resto, manifestando un comportamiento cíclico de la energía recibida y entregada. Como caso degradado, se presenta también en gris un recorrido
de LCO que no llega a cubrir el intervalo de holgura completo.
Figura 3.4 – LCO en el plano de fase (negro) / Condición degradada convergencia (gris)
1
2
3
4
67
3.3.2.2 Rigidez lineal en flexión y holgura en torsión
Procediendo de forma análoga para el caso de holgura en torsión, limitando el intervalo de
la misma a [-β/2 +β /2], las fuerzas actuantes en las tres áreas serían:
- Area I: α > +β/2; F = -K *(α - β/2)
- Area II: α < +β/2 y h > -β/2; F = 0
- Area III: α < -β/2; F = -K *(α + β/2)
Por tanto, las ecuaciones en cada Área serán:
- Area I:
2
h αm h + 2πρ b U h +K h + S α + 2πρ b U α = 0 (3.27)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I (K 2 b U (a )) K 0
2 2 2 (3.28)
- Area II:
2
h αm h + 2πρ b U h +K h + S α + 2πρ b U α = 0 (3.29)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I 2 b U (a ) 0
2 2 (3.30)
- Area III:
2
h αm h + 2πρ b U h +K h + S α + 2πρ b U α = 0 (3.31)
2 2 21 1S h 2 b (a ) U h I (K 2 b U (a )) K 0
2 2 2 (3.32)
Procediendo de forma análoga al caso anterior, y tomando como base la matriz
característica, que es la misma, se deduce:
1) Area II (holgura en torsión) Ningún término de la matriz,
distinto de cero, se anula. Únicamente los términos a23 y a43 cambian de valor, pero no se
anulan.
2) El comportamiento en las Areas I y III es similar al caso anterior.
K 0
68
De lo anterior puede concluir que la holgura en torsión contribuye a modificar las
condiciones en las que se produce flameo, pero no cambia el mecanismo de cómo se genera.
Considerando únicamente la contribución estructural al fenómeno aeroelástico, es la holgura en
flexión, con todas las consideraciones expuestas en el Apartado 3.3.2.1., la que puede contribuir
en mayor medida al establecimiento de un LCO previo al flameo.
3.3.3 Análisis de las condiciones necesarias para LCO [holgura en flexión]
Una vez establecido cualitativamente cómo debe ser el comportamiento dinámico del
sistema (perfil) tanto dentro como fuera del área de holgura en flexión, en base a dicho
comportamiento, se derivan las condiciones necesarias adicionales que un sistema debe cumplir
para desarrollar una LCO.
3.3.3.1 Condición necesaria ‘de forma’
Desarrollando matemáticamente la convergencia en las Areas I y III y la divergencia en el
Area II (Figura 3.4), se tiene:
- General equation for Areas I and III:
- General equation for Area II:
Dado que las LCO son de naturaleza periódica, y no considerándose movimiento caótico, la
curva descrita en el plano de Fase por el parámetro h, la curva descrita en el plano de Fase debe
ser cerrada.
Por tanto, las siguientes condiciones son aplicables:
(sigue página siguiente)
bt
II eCBh
)tsin(eAh t
III,I
69
;
;
2h3 ;
2h4 ;
2h1 ;
Imponiendo la condición de oscilación cíclica, la condición necesaria de LCO (en el
supuesto de una no-linealidad tipo holgura) es:
1 1h ( h e b ) e b (3.33)
Recomponiendo la ecuación:
2
1 1
b be e ( 1) 0
h h (3.34)
Y definiendo el parámetro:
Resolviendo la ecuación, se obtiene que la condición necesaria para LCO en el caso de que
exista holgura en flexión:
2 4 ( 1)
e2
(3.35)
1t
0C,Cb
t2
3t
0C,Cb
t4
b
CT
22
11 hh
bhh 41
ehh 34
bhh 23
ehh 12
1h
b
21h
22h
70
3.3.3.2 Análisis de estabilidad simplificado
De los Apartados anteriores, se deduce que una LCO es una frontera (en el espacio de fase)
que define la separación entre áreas de estabilidad y áreas de no-estabilidad (LCO típico) o bien,
la separación entre áreas de estabilidad (LCO no-típico). Al objeto de extraer conclusiones más
detalladas, se propone evaluar el modelo aeroelástico bidimensional simplificado (no
amortiguado) en el caso de holgura en flexión [dinámica periódica forzada en torsión].
sólo dependientes de las deflexiones en flexión o torsión].
- Holgura en flexión definida, a nivel de fuerza, por un muelle de tipo cúbico .
- Oscilación forzada en torsión.
En consecuencia, la ecuación que gobierna la dinámica del sistema con las hipótesis
anteriores, es:
3 2 2
hm h K h h A ( 2 b U ) cos( t) (3.36)
Siendo ‘ ’<< 1 y ‘ ’ la frecuencia forzada de torsión.
Dividiendo por „m‟ y proponiendo una solución del tipo: h(t) = h1(t) + (t), siendo <<1, al
sustituir en la ecuación anterior y despreciando términos de orden superior en , se obtiene:
2 2
2 3
1 h 1 1
2 b Uh h h A ( ) cos( t)
m m (3.37)
2 2
h 1( 3 h ) 0m
(3.38)
Siendo: , la frecuencia natural de flexión.
Sustituyendo en (3.37) una solución particular del tipo: 1h (t) F cos( t) y despreciando
términos polinómicos de orden superior, se obtiene:
2 2
2 2
h
2 b UF A ( )
m ( ) (3.39)
m
Kh2
h
71
Sustituyendo h1(t) en (3.39), expresando el cuadrado del coseno en coseno del ángulo doble
y reagrupando términos, se obtiene:
2 2 2
h
3 3( F F cos(2 t)) 0
2 m 2 m (3.40)
La ecuación anterior responde a un esquema de ecuación diferencial de Mathieu, cuyos
valores característicos son:
2 2
h
3a F
2 m y 23
q F2 m
Las relaciones anteriores definen una familia de rectas en el espacio (a, q) de valores
característicos de la ecuación de Mathieu. Por tanto, en dicho espacio coexistirán dos familias de
curvas:
- Familia de curvas [a, a(q)] cuyos valores definen un comportamiento periódico de las
soluciones de la ecuación de Mathieu y que separan las áreas de estabilidad de inestabilidad
(diagrama de estabilidad de Mathieu).
- Familia de rectas [a, a(q)], correspondientes a un modelo aeroelástico 2D simplificado, y
cuya dinámica está gobernada por la ecuación de Mathieu. Dichas rectas obedecen a la
expresión paramétrica:
2
h
qa
2 (3.41)
Obviamente, aquellos puntos comunes de ambas familias definirán las condiciones donde el
desarrollo de LCOs, en las hipótesis expuestas, es más probable (ver Figura 3.5).
(página siguiente)
72
Figura 3.5 – Diagrama de estabilidad de Mathieu. Familia de rectas que definen un modelo 2D simplificado
NOTA: Diccionario de la Figura 3.5: - Las curvas del diagrama de Mathieu separan áreas de estabilidad [rotuladas con la letra ‘E’] de las de inestabilidad [rotuladas con la letra ‘I’].
- Cada recta corresponde a la evolución del modelo 2D con la frecuencia natural de flexión (explícitamente) y la holgura, la velocidad aerodinámica y la frecuencia característica de torsión (implícitamente, a través de F).
Parametrizable en las propiedades geométricas, másicas y estructurales del perfil
bidimensional.
Parametrizable en los tipos de no-linealidades estructurales: Holgura y fricción.
78
Capacidad para simular procedimientos reales de expansión de envolvente.
Interactivo en tiempo real del control de la velocidad
Análisis espectral inmediato de la respuesta aeroelástica del perfil.
4.3 Descripción del simulador aeroelástico
El simulador se implementa en Matlab/Simulink, ya que es el entorno de programación
que, ajustándose a los requisitos anteriores, permite una mayor versatilidad y capacidad futura de
crecimiento.
Los niveles definidos son tres:
a) Nivel superior: Usuario, con control interactivo de la velocidad aerodinámica,
excitación del perfil y de las herramientas de Análisis espectral.
b) Nivel intermedio: Arquitectura y definición del modelo.
c) Nivel inferior: Implementación de las transformadas de Fourier.
4.3.1 Simulador Aeroelástico: Nivel superior [Usuario]
Figura 4.1 – Simulador aeroelástico - Nivel superior
Incluye los siguientes bloques:
a) TAS: Control continuo de velocidad verdadera.
b) Exc: Lanzamiento del programa de excitación del perfil bidimensional.
c) FTT: Lanzamiento de la transformada de Fourier de la respuesta del perfil a la
excitación.
d) VR Sink: Representación visual del movimiento del perfil.
e) „Time history‟ de la posición y del cabeceo del perfil.
f) Número de muestras para el cálculo de la transformada de Fourier.
a
b
c
d
e
f
79
4.3.2 Simulador Aeroelástico: Nivel intermedio [Arquitectura / Definición]
Figura 4.2 – Simulador aeroelástico - Nivel intermedio
Incluye los siguientes bloques:
a) Modelo aeroelástico quasi-estacionario [definición matricial].
b) Modelo de holgura.
c) Patrón de excitación (en el ejemplo, tipo „frequency sweep‟).
d) FFTs correspondientes a la respuesta en posición y cabeceo.
a b
c
d
80
4.3.3 Simulador Aeroelástico: Nivel inferior [Transformadas de Fourier]
Figura 4.3 – Simulador aeroelástico - Nivel inferior
Incluye los siguientes bloques:
a) Control de entrada de muestras y tiempo de muestreo.
b) Buffer.
c) Transformada discreta de Fourier.
4.3.4 Parámetros de inicialización y señales de entrada/salida del simulador
Los parámetros que inicializan cada simulación son (supuesto un perfil de tipo „placa
plana‟):
a) Másicos: Masa y posición del centro de gravedad del perfil con respecto del eje
elástico.
d) Geométricos: Cuerda del perfil.
b) Estructurales:
c) Posición del centro elástico con respecto al centro del perfil.
d) Frecuencia propia y amortiguamiento en flexión y torsión.
e) Aerodinámicos: Coeficiente de sustentación y posición del centro aerodinámico con
respecto del centro elástico.
Las señales de entrada („inputs‟ directos en tiempo real del usuario) son:
a) Velocidad verdadera aerodinámica.
b) Patrón de excitación.
a
b c
81
Las señales de salida disponibles son:
a) Respuesta („time histories‟) del perfil en posición y cabeceo.
b) Transformada de Fourier de la respuesta.
c) Visualización en tiempo real de la respuesta del perfil.
4.4 Algoritmos implementados en el simulador aeroelástico
Aparte del modelo aerodinámico cuasi-estacionario (que implementa la formulación
expuesta en capítulos anteriores), dos algoritmos sustentan el simulador.
a) Integración Runge-Kutta de quinto orden.
b) Transformada rápida de Fourier.
4.5 Validación de la metodología: Caso propuesto
Al objeto de validar la metodología propuesta en el Capítulo 3, se han ejecutado multitud
de casos en el simulador aeroelástico. En el presente apartado, se presenta uno de ellos en el que,
para unas condiciones geométricas, inerciales y estructurales comunes, se analizan tres
escenarios: Sistema sin holgura, sistema con holgura en flexión y sistema con holgura en torsión.
4.5.1. Valores de los parámetros geométricos, inerciales y estructurales
Tabla 4.1 – Simulación - Valores de los parámetros geométricos, inerciales y estructurales
Parámetro Valor
Densidad del Aire 1,225 Kgrs/m3
Masa del perfil 100 Kgrs
Cuerda del Perfil 3 mts
Posición del Centro de Gravedad respecto del Eje Elástico
1
0,05 Mts
Posición del Centro Elástico respecto al Centro del Perfil
-0,05 Mts
Distancia del Centro Aerodinámico al Centro Elástico
0.0 Mts
Momento Estático del perfil respecto al Centro Elástico
7,5 KgrsxMt
Momento de Inercia del perfil respecto al Centro Elástico
56,25 KgrsxMt2
Coeficiente Elástico en Flexión 35530 Nw/Mt
Coeficiente Elástico en Torsión 108810 Nw/rad
1 Positivo en dirección de la corriente aerodinámica (‘hacia atrás’)
82
4.5.2. Descripción de la validación de la metodología para el caso propuesto
El simulador bidimensional recrea un escenario real de expansión de envolvente
aeroelástica, con las limitaciones ya definidas (aero quasi-estacionaria y velocidad equivalente).
Por tanto, el método de validación se ha ajustado al procedimiento estándar de expansión de
envolvente en tiempo real que incluye los siguientes pasos:
1) Estabilización a una velocidad (en este caso de 50 en 50 m/s).
2) Excitación de la estructura: En este caso se hace uso de un barrido en frecuencia en
cabeceo de 20 segundos, cubriendo frecuencias de excitación de 0 Hz a 10 Hz.
3) Registro de la respuesta del sistema en ambos ejes, flexión y torsión, incluyendo
visualización en el diagrama de fases.
4) Transformada rápida de Fourier de la respuesta.
5) Identificación de los Modos que intervienen en el mecanismo de inestabilidad
aeroelástica (fundamentalmente, frecuencias).
6) Aplicación del Margen de Flameo a las frecuencias identificadas.
7) Adicionalmente, para aquellos casos con holgura, computar las amplitudes máximas y
aplicar la condición de LCO.
8) Comparar la extrapolación del Margen de Flameo con la condición de LCO y anticipar
hasta qué velocidad se puede extender el LCO antes de que se presente el Flameo.
El resultado de la simulación se proporciona en las Tablas siguientes, en las que la
información está distribuida en columnas:
1ª columna: Velocidad „de vuelo‟ en m/s.
2ª columna: Respuesta del sistema (en flexión y torsión) a la excitación. Incluye
evolución de la respuesta en el plano de fase.
3ª columna: Transformada de Fourier de la respuesta en los dos ejes (flexión y torsión).
4ª columna: Comentarios.
(página siguiente)
83
Tabla 4.2. – Simulación aeroelástica bidimensional: Evaluación sin holgura (I)
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
50
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,2 Hz - Torsión: 6,8 Hz - Margen de Flameo: 18
b) El sistema está altamente amortiguado en todos el rango de frecuencias excitado.
100
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,3 Hz - Torsión: 6,4 Hz - Margen de Flameo: 15,02
b) El sistema sigue estando amortiguado, aunque los dos (2) Modos característicos que van a intervenir en el mecanismo de Flameo van despuntando. Existiendo aún Margen, se evoluciona hacia velocidades superiores
84
Tabla 4.3. – Simulación aeroelástica bidimensional: Evaluación sin holgura (II)
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
150
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,5 Hz - Torsión: 6,1 Hz - Margen de Flameo: 12,48
b) Se identifica la coalescencia de Modos anticipando un mecanismo de Flameo clásico.
175
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,8 Hz - Torsión: 5,7 Hz - Margen de Flameo: 9,02
b) Mecanismo de Coalescencia consolidado y Modos principales establecidos.
85
Tabla 4.4. – Simulación aeroelástica bidimensional: Evaluación sin holgura (III)
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
200
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 4,5 Hz - Torsión: 5,1 Hz - Margen de Flameo: 2,88
b) Coalescencia prácticamente alzanzada y degradación del Margen de Flameo, anticipando inestabilidad divergente conforme al criterio de Zimmerman/Weisenberger.
c) En un escenario real, ya no se progresaría más en la exploración de la envolvente en velocidad.
210
N/A
- Velocidad estimada de Flameo: 207 m/s
- Velocidad de Flameo según Modelo:
210
- El Margen de Flameo es conservativo (seguro), ya que predice que la velocidad de inestabilidad es menor que la ‘real’.
86
Resumen de la evaluación sin holgura
Velocidad de flameo: 210 m/s
Margen de Flameo (Velocidad estimada de Flameo):
Tabla 4.5. – Simulación aeroelástica bidimensional [sin holgura]: Margen de flameo
Velocidad (m/s) w1: Frecuencia Modo
Flexión (Hz)
w2: Frecuencia Modo
Torsión (Hz) Margen de Flameo1
50 3,2 6,8 18
100 3,3 6,4 15,03
150 3,5 6,1 12,48
175 3,8 5,7 9,02
200 4,5 5,1 2,88
2073 <<< Velocidad estimada de Flameo (extrapolada)2
1
2 2
2 1w wFM
2
2 Polinomio de cuarto grado en velocidad
3 Ver gráfico
Figura 4.4 - Simulación aeroelástica bidimensional [sin holgura]: Margen de flameo
-5
0
5
10
15
20
Marg
en d
e F
lam
eo
Margen de Flameo con ajuste polinomial
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
1st
deriv
87
Tabla 4.6. - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en flexión: [-0.05 +0.05] mts [2]
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
50
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,2 Hz - Torsión: 6,8 Hz - Margen de Flameo: 18
b) El sistema está altamente amortiguado en todos el rango de frecuencias excitado.
100
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,3 Hz - Torsión: 6,4 Hz - Margen de Flameo: 15
b) El sistema sigue estando amortiguado, aunque los dos (2) Modos característicos que van a intervenir en el mecanismo de Flameo van despuntando. No obstante, la influencia de la holgura en flexión se detecta en la transformada de Fourier, mucho más ruidosa.
2 NOTA: Si bien la holgura considerada está fuera de tolerancias según la Norma civil (CS.25) y militar (MIL-A-8870C), el objeto de la evaluación propuesta es valorar el comportamiento del sistema
aeroelástico 2D con la misma.
88
Tabla 4.7 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en flexión: [-0.05 +0.05] mts (II)
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
150
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,5 Hz - Torsión: 6,1 Hz - Margen de Flameo: 12,48
b) Se establece la coalescencia de Modos, si bien la holgura en flexión introduce armónicos adicionales de baja energía..
175
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 3,8 Hz - Torsión: 5,7 Hz - Margen de Flameo: 9
89
Tabla 4.8 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en flexión: [-0.05 +0.05] mts (III)
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
200
a) Frecuencias caracteristicas: - Flexión: 4,5 Hz - Torsión: 5,1 Hz - Margen de Flameo: 2,88
b) Comportamiento similar al evaluado cuando no existe holgura en ningún eje.
210
N/A
a) En el caso propuesto, se observa que el comportamiento aeroelástico del sistema con la holgura propuesta en flexión es muy similar al caso sin holgura y que el mecanismo de LCO está claramente enmascarado (o superado) por el propio mecanismo de flameo. No obstante, en el entorno de la velocidad de flameo (figura anterior), el mecanismo de LCO anticipa al propio de Flameo. Por tanto, en este caso, no la Metodología de Margen de LCO no ha lugar mientras que la de Margen de Flameo, de forma similar al caso anterior, la velocidad de inestabilidad aeroelástica (correspondiente a Flameo).
90
Tabla 4.9 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o [3]
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
b) El comportamiento del sistema es radicalmente distinto a los casos anteriores: La holgura es detectable en la respuesta del sistema (incluido el plano de fase) y, además, las frecuencias características han variado sensiblemente..
b) Se verifica que la coalescencia de los Modos también es un mecanismo que anticipa LCO.
3 NOTA: Holgura dentro de lmárgenes autorizados en la Norma Militar (MIL-A-8870C/Pág9) para TEC (‘Trailing Edge Controls) situados entre el encastre y el 50% de la envergadura.
91
Tabla 4.10 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o (II)
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
b) Aparente mecanismo de LCO típico: Amplitud creciente con la velocidad y frecuencia modo no afectado por la no-linealidad creciente con la velocidad..
c) Margen de Flameo cercano a cero, anticipando inestabilidad divergente sin que la condición de flameo (polinomio cúbico) detecteun cambio de tendencia en las amplitudes de la respuesta.
92
Tabla 4.11 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o (III)
Vel (m/s) Respuesta a la excitación y Planos de Fase [Posición (Flexión) y Angulo (Torsión)] Transformada de Fourier Comentarios
Acel
175
A
210
N/A
a) Velocidad estimada de Flameo: 193 m/s.
b) Velocidad de Flameo del Modelo: 205 m/s.
c) No se ha detectado cambio de tendencia en la condición de LCO. Se confirma LCO típico y que la Metodología del Margen de Flameo es aún válida en presencia de LCOs, ya que el mecanismo de coalescencia de Modos prevalece en cuanto la energía del sistema (velocidad) es mucho mayor que la holgura presente.
Tabla 4.12 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o / Margen de flameo
4 Ajuste con polinomio del tipo: Axhmax + Bxh
3max
Velocidad
(m/s)
w1:
Frecuencia
Modo Flexión
(Hz)
w2:
Frecuencia
Modo Torsión
(Hz)
αmax hmax Margen de
Flameo
Condición
extrapolada4
αmax
150 3,9 5 0,1º 0,8 4.90
160 4 4,8 0,12º 1 3.52
170 4,1 4,7 0,18º 1,8 3.12
180 4,2 4,6 0,20º 2 2.23
190 4,3 4,4 0,30º 2,8 0.88
193 <<< Velocidad estimada de Flameo (extrapolada) 3,0º
93
Figura 4.5 - Simulación aeroelástica bidimensional: Holgura en torsión: [-1 +1]o
/ Margen de flameo
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
Am
plit
ud M
áxim
a d
e T
ors
ion
Ajuste Amplitudes Torsión vs Flexion
Amplitud Máxima de Flexión
150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200-2
-1
0
1
2
3
4
5
FM
Ajuste Margen de Flameo
Velocidad (m/s)
94
4.5.3. Conclusiones de los resultados obtenidos
De los resultados obtenidos caso propuesto se pueden extraer las siguientes conclusiones:
En el caso sin holgura, el margen simplificado de flameo estima la velocidad de
inestabilidad con una precisión menor de 5 m/s y, además, lo hace de forma conservativa.
Confirmado el escenario anterior, el modelo elegido es muy susceptible a LCO con
holguras a torsión y poco susceptible a LCO con holguras a flexión.
En el caso de holguras a flexión, el fenómeno de LCO se presenta prácticamente al mismo
tiempo que flameo. Por tanto, el margen simplificado de Flameo continúa siendo una
herramienta adecuada para este caso.
En el caso de holguras a torsión, se observa:
En el mecanismo de LCO se identifica una frecuencia de oscilación „principal‟ que
mayormente se manifiesta en la variable que es lineal (en este caso, flexión) y otra
oscilación „secundaria‟ que se manifiesta más claramente en la variable que no es lineal
(en este caso, torsión).
Conforme aumenta la velocidad, la frecuencia de oscilación „principal‟ se incrementa y la
frecuencia de oscilación „secundaria‟ disminuye de forma similar al mecanismo de
coalescencia de modos típico del flameo clásico.
Con los valores del modelos propuesto, las amplitudes de ambos ejes (flexión y torsión)
son crecientes con el tiempo.
La extrapolación polinomial propuesta para la torsión, en los términos lineales y cúbicos
de la flexión, se ajusta al comportamiento del modelo.
El método de margen de flameo predice con precisión de menos de 5 m/s la velocidad de
oscilación divergente, mientras que la condición estimada de LCO no detecta con la
velocidad ningún cambio de tendencia ni anticipa un comportamiento de LCO atípico
(disminución de la amplitud con la velocidad). Esta predicción es confirmada por el
propio modelo.
De las observaciones anteriores se concluye que el uso combinado del margen simplificado
de flameo junto con la condición de LCO proporciona una herramienta eficaz que permite
proceder a expansiones de envolvente en velocidad aún con LCOs presentes.
95
Capítulo 5
5 VALIDACIÓN PRELIMINAR DE LA
METODOLOGÍA DE PREDICCIÓN. .
DATOS EXPERIMENTALES
5.1 Consideraciones generales
Una vez validada la metodología a nivel numérico (simulador aeroelástico bidimensional),
se procede a su validación experimental. Para ello se hace uso de datos reales de vuelo derivados
de ensayos de expansión aeroelástica en aviones de altas prestaciones (cazas). Esta validación, si
bien extremadamente útil, es limitada debido al carácter especial de los datos utilizados.
No es objeto de esta validación el proporcionar la envolvente aeroelástica de un
determinado tipo de caza para una determinada configuración de cargas externas. Esta
información suele ser, cuando menos, restringida. El objeto es validar una metodología. Por
tanto, se hacen las siguientes consideraciones:
No se proporciona la configuración externa de cargas del avión cuyos datos se han
utilizado en la presente validación.
No se proporcionan las frecuencias reales de excitación y/o respuesta de la estructura.
Todas las frecuencias que se proporcionan están adimensionalizadas.
En el Apéndice B se encuentran las densidades espectrales de potencia en las que se basa la
presente validación. Dicho Apéndice se estructura en dos partes:
Apéndice B-1: Análisis espectral preliminar, efectuado a 8000 pies (Nivel de Vuelo 080)
y Mach 0.60, para caracterizar el sistema aeroelástico. Para ello, se proporciona la
densidad espectral de cinco tipos de datos para excitaciones („dwells‟ de 10 segundos) de
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alerones al 75%, 100%, 115% y 125% de la frecuencia de referencia: Aceleración de
alerones (elemento excitador), momentos de flexión y torsión en la raíz y mitad del ala y
aceleración del extremo del ala en sus puntos delantero y trasero.
Apéndice B-2: Análisis espectral detallado, efectuado a 15000, 10000 y 5000 pies
(Niveles de Vuelo 150, 100 y 050) y Mach 0.80, de los mismos parámetros anteriores.
Adicionalmente, se proporciona una evaluación preliminar de la aplicación de la condición
de LCO a otra aeronave (F16) cuando las no-linealidades son de naturaleza aerodinámica. Si bien
no es objeto de la presente Tesis validar la condición del LCO en estas condiciones, se evalúa la
bondad de la misma anticipando desarrollos futuros.
5.2 Descripción del Artículo de Ensayo
Figura 5.1 – F/A-18 (en la imagen, un F/A-18 perteneciente al Ejército del Aire)
El F-18 “Hornet”, es un avión de caza y ataque, construido por McDonnell Aircraft
Company. Está propulsado por dos motores turbofan de baja derivación General Electric F404-
GE-400 dotados de postcombustión. Tiene un ala de curvatura variable con extensiones de borde
de ataque (Leading Edge Extension, LEX) a cada lado del fuselaje, desde la raíz del ala hasta
justo por delante del parabrisas. Todas las superficies de mando están actuadas hidráulicamente y
gobernadas electrónicamente a través de dos Computadores de Vuelo (FCCA y FCCB, Flight
Control Computers). Las fuerzas en palanca y pedales las proporcionan conjuntos de muelles. El
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tren de aterrizaje es triciclo retráctil e incorpora direccionamiento de la rueda de morro (NWS,
Nosewheel Steering). El avión dispone de nueve estaciones para el transporte de cargas externas,
incluyendo armamento Aire/Aire y Aire/Suelo, así como Pods o depósitos de combustible.
El Sistema de Ordenadores de Misión se compone de dos ordenadores digitales (MC1 y
MC2, Mission Computers) de alta velocidad, programables de propósito general con memoria
interna y un programa residente. Los MC‟s se interconectan con los equipos principales de
aviónica por medio de los buses de aviónica multiplexados (AVMUX) del tipo MIL-STD-1553.
El equipo de Control de Armamento (Stores Management Set, SMS) consta de un ordenador de
armamento y nueve decodificadores en cada estación más el cañón, y tiene como labor realizar el
inventario, determinación del estado, selección, pre-acondicionamiento, suelta y lanzamiento de
todas las armas y cargas externas del avión.
El artículo de Ensayos es un avión F-18 dotado de un Sistema de Instrumentación
embarcada capaz de enviar por Telemetría en Tiempo Real hasta un máximo de doscientos (200)
parámetros y excitar la estructura del avión en un rango de 2-20 Hz a través de un control
específico en cabina (Figura 5.2), que sustituye a la pantalla izquierda (LDDI, Left Digital
Dysplay Indicator).
Figura 5.2 – Unidad de Control (FECU, Flight Exciter Control Unit)
Para los ensayos considerados en la presente Tesis, se han analizado los datos proporcionados por
sensores específicos instalados en la semi-ala izquierda de la aeronave (ver Figura 5.3). Dichos
SUSTITUCIÓN
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datos se han proporcionado ya pre-procesados permitiendo un análisis detallado modal (densidad
espectral de potencia) haciendo uso del Método de Welch5.
Figura 5.3 – Disposición de Sensores en el artículo de Ensayos
5.3 Margen de Flameo y condición estimada de LCO
5.3.1. Caracterización aeroelástica preliminar
En el Apéndice B se proporciona la caracterización aeroelástica (densidad espectral)
preliminar a Nivel de Vuelo 080 y Mach 0.60.
El resumen de las frecuencias identificadas para cuatro Modos, referidas a una Frecuencia
de Referencia se detalla en la siguiente Tabla, donde los valores son:
- 1ª columna: Frecuencia de excitación del „dwell‟ de alerones, en tanto por ciento de la
frecuencia de referencia.
- 2ª, 3ª, 4ª y 5ª columna: Corresponden a las frecuencias de los cuatro modos más relevantes
que presenta la estructura una vez terminada la excitación de tipo „dwell‟.
- Dentro de cada celda: Cada línea corresponde a la frecuencia de la respuesta en tres puntos
del ala:
o 1ª Linea: Momento calculado de flexión en la raíz de ala.
o 2ª Linea: Momento calculado de torsión en la raíz de ala.
o 3ª Linea: Aceleración del extremo del ala
5 Welch, P.D. "The Use of Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra: A Method Based on Time Averaging