gustavo oliveira violato alex sandro maia fernandes eduardo rodrigues poço

Gustavo Oliveira Violato Alex Sandro Maia Fernandes Eduardo Rodrigues PoçoFelipe Carvalho Martins Flávio Luiz Cardoso Ribeiro

Joaquim Neto Dias Leandro Resende de PáduaNey Rafael SeccoRodrigo Badia Piccinini Vitor Gabriel Kleine

Professor Orientador: André Valdetaro Gomes Cavalieri

2

PROJETO CONCEITUAL

1. Projeto Conceitual

2. Aerodinâmica

3. Cargas e Estruturas

4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

3

PROJETO CONCEITUAL

PRÉ-PROJETO

• Missão da aeronaveTransporte de Carga

Maximizar pontuação

• RestriçõesCumprir itens do regulamento

Confiabilidade


1.1. Pré-Projeto

1.2. Metodologia de Projeto

2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

4

PRÉ-PROJETO

PROJETO CONCEITUAL


1.1. Pré-Projeto


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho Pontual

5

PROJETO CONCEITUAL

METODOLOGIA DE PROJETO

•Fluxograma:


1.1. Pré-Projeto


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

6

PROJETO CONCEITUAL

Configuração inicial

Estimativa da polar de arrastoDesempenho em subida e

decolagemEstimativa da massa do avião Carga útil – pontuação


1.1. Pré-Projeto


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

7

PROJETO CONCEITUAL


1.1. Pré-Projeto


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

8

AERODINÂMICA


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho Pontual

9


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas

2.3.Empenagem Horizontal

2.4.Empenagem Vertical

2.5.Fuselagem 2.6.Avião

Completo3. Cargas e

Estruturas4. Estabilidade5. Controle6. Desempenho

AERODINÂMICA

PERFIL DAS ASAS

• Modificação do perfil Selig1223

Estrutura mais resistente.

Menor peso estrutural.

Melhora de características aerodinâmicas.

Perfil 10% mais espesso:

S1223HG[1] SELIG, M. Et Al, Summary of Low-Speed Airfoil Data Vol. 1, 2,3. Soartech Publications, 1995

Base para modificações: XFOIL

10

AERODINÂMICA

PERFIL DAS ASAS

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

-20 -10 0 10 20 30a (º)

CL

S1223 experimentalS1223HG experimentalS1223 (Selig)


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


11

AERODINÂMICA

ASAS

Biplano: Vlocal V∞

Vlocal>V∞

Vlocal<V∞

ClVlocal < ClV∞

ClVlocal > Clv∞

Cl adimensionalizado por V∞

não prediz estol.

Códigos Vortex Lattice normalmente utilizados calculam ClV∞;

Solução: Programar um código Vortex Lattice.


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


12

AERODINÂMICA

ASAS

0,4m


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


13

AERODINÂMICA

ASAS

Acerto das incidências

Aumento corda aileron (estol)

Escolha do afilamento


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


14

AERODINÂMICA

EMPENAGEM HORIZONTAL

Base para o projeto:CHT=0,4

S (m2) A c/4 (º)

0,198 4,5 0,45 -16

Perfil RG14 invertido

CLEH cumpre requisitos.


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


15

AERODINÂMICA

EMPENAGEM VERTICAL

1° Tentativa: CVT Instabilidade em Espiral.

Base de projeto:

Critérios de qualidade de

vôo.Perfil NACA 0014

Alojamento de servos:

•Menor arrasto;

•Maior funcionalidade.S (m2) A c/4 (º)

0,0420,82

30,7 17,8


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


16

AERODINÂMICA

FUSELAGEM

Projetado para evitar

descolamento*

Passeio do CG com

carregamento minimizado

Diminuição da área frontal


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas



2.5.Fuselagem

2.6.Avião Completo


4. Estabilidade5. Controle6. Desempenho* Hoerner, S.F. , Aerodynamic Drag – Practical Data, Otterbein Press - 1951

17

AERODINÂMICA

AVIÃO COMPLETO1. Projeto

Conceitual2.

Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


18

AERODINÂMICA

AVIÃO COMPLETO

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4CD

CL

0

0,5

1

1,5

2

0 5 10 15 20a (º)

CL

- Cl x alfa

- Polar de Arrasto


2. Aerodinâmica

2.1.Perfil das Asas

2.2.Asas




Completo3. Cargas e


19

CARGAS E ESTRUTURAS


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

20

CARGAS E ESTRUTURAS

PROJETO ESTRUTURAL

Confiabilidadena construção

Rigidez Estabilidade

Resistência

Leveza

Projeto Estrutural


2. Aerodinâmica3. Cargas e

Estruturas 3.1.Materiais 3.2. Envelope

de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens

3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das

Asas 3.8.Trem de

Pouso 3.9. Peso Final4. Estabilidade5. Controle6. Desempenho

21

CARGAS E ESTRUTURAS

MATERIAIS1. Projeto

Conceitual2. Aerodinâmica3. Cargas e


de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


Barra de Balsa

Chapa de Balsa

Fibra de

Carbono

Fibra de Vidro

ρ (kg/m3) 200 160 1760 2110

σut (MPa) 26 7,4 4300 2415

σuc (MPa) 15 4,2 - -

τu (MPa) 3,1 0,73** - -

Critério de falha

Invariantesde Von

Mises*

Invariantesde Von

Mises*

Hoffman

Hoffman

* AICHER S & KLOCK W. Linear versus quadratic failure criteria for inplane loaded wood based panels. ** Verificado em ensaio de torção pura.

22

CARGAS E ESTRUTURAS

ENVELOPE DE VÔO1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


CondiçãoLimite

(nz=2,45)

CondiçãoÚltima (nz=2,70)

Condição última = 1,1 x Condição limite

23

-80-60-40

-200

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25

y (m)Mom

ento

Fle

tor

(N.m

)

Mx - Asa Superior Mx - Asa Inferior

CARGAS E ESTRUTURAS

ASAS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


FZ na condição

última (N)

Asa inferior 211,2

Asa Superior 258,0

•Esforços diminuem rapidamente para a ponta.•Carregamentos diferentes em cada asa.

24

CARGAS E ESTRUTURAS

ASAS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


Otimização da estrutura:

Compressão: menor resistência.

(balsa)Dimensões variáveis ao longo da envergadura.

EstruturasDiferenciadas.

25

CARGAS E ESTRUTURAS

EMPENAGENS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


EH EV

Cl 1,05 0,52 1,00

Mx (N.m) -4,87 1,01 -0,42

Mz (N.m) 1,00 0,19 0,10

Sx (N) -5,14 -0,87 -1,78

Sz (N) 23,91 -4,98 7,23

T (N.m) -0,73 -0,73 0,14

•V=Vd=18m/s•Esforços na raiz.

(balsa) (balsa)

26

CARGAS E ESTRUTURAS

ANÁLISE ESTRUTURAL DAS ASAS E EMPENAGENS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


• Cálculo de tensões e deslocamentos por teoria de viga de paredes finas. (Aircraft Structures. Megson, T.H.G.)

• Análise de falha pelo critério de variantes de Von Mises.

Resultados da análise de

falha para seção da raiz.

Material

Dimensõese posicionamento

Esforços

Tensões

27

CARGAS E ESTRUTURAS

FUSELAGEM1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens

3.5.Fuselagem

3.6.Tail Boom 3.7.Junção das

Asas 3.8.Trem de


•Cargas principais:- Pouso (Aceleração 2g);- Esforços das empenagens;- Esforços do motor.

Em solo, caixa de carga apoiada no trem de pouso principal.

Em vôo, caixa de carga apoiada nas asas.

•Otimização:

Alívio da estrutura:

28

CARGAS E ESTRUTURAS

TAIL BOOM

Ensaio de rigidez:




de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


Cargas oriundas das empenagens.

Sanduíche de fibra de

carbono e honeycomb.

Principal requisito: Rigidez.

29

CARGAS E ESTRUTURAS

JUNÇÃO DAS ASAS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens

3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção

das Asas 3.8.Trem de


• Cargas:– Carga lateral em curva;– Carga de compressão em

pouso;– Carga de tração em vôo.– Torção.

• Análise em Nastran (elementos finitos).

Fibra de carbono

unidirecionalEspuma de PVC

Alta rigidez e baixo peso.

30

CARGAS E ESTRUTURAS

TREM DE POUSO PRINCIPAL1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


• Fatores de carga normal e horizontal: 2,0 e 0,7.

TREM DE POUSO DO NARIZ

• Haste de aço com garfo de alumínio para prender a roda.

• Resistência comprovada por testes.

Carga de pouso

suportada por meia

estrutura.

Índice de falha de Hoffman

(Otimização limitada pela

rigidez).

Análise em Nastran com elementos de

laminado.

31

CARGAS E ESTRUTURAS

PESO FINAL

-Peso vazio = 4,589 kgf-Contribuição de cada componente do avião (kgf):

0,285

0,389

0,726

0,823

0,900

0,9960,1060,0970,078

0,189

Tail Boom ParafusosEV EHTrem de Pouso AviônicosFuselagem Conjunto do MotorAsa Superior Asa Inferior




de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de

Pouso 3.9. Peso

Final4. Estabilidade5. Controle6. Desempenho

32

ESTABILIDADE


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

33

ESTABILIDADE

ESTABILIDADE ESTÁTICA1. Projeto


Estruturas4. Estabilidade

4.1.Estabilidade Estática

4.2.Estabilidade Dinâmica

4.3.Qualidade de Vôo

5. Controle6. Desempenho

Fatores que indicam estabilidade e boa qualidade de vôo:

Látero-direcional:

Longitudinal: Margem estática entre 10% e 16%;

CGavião

CAaviã

o

Enflechamento (5,5° - c/4); Diedro (3,2°).

34

ESTABILIDADE

ESTABILIDADE DINÂMICA

Linearização das equações e cálculo auto-valores da matriz de estado.



Estruturas4. Estabilidade 4.1.Estabilidade

Estática




Derivadas de estabilidade

(Vortex Lattice)

Estimativa dos momentos de inércia.

Utilizada a Norma MIL (com adaptações).

Cálculo do fator de amortecimento e freqüência

natural.

35

ESTABILIDADE

QUALIDADE DE VÔO LONGITUDINAL1. Projeto



Estática 4.2.Estabilidade

Dinâmica 4.3.Qualidade

de Vôo5. Controle6. Desempenho

Período fugoidal Período curto

z wn (rad/s) z fn (Hz)wn (rad/s

)

Subida 0,174 1,08 0,409 1,53 9,65

Cruzeiro 0,107 0,883 0,487 1,56 9,78Nível 1>0,04)

Não tripulado, portanto pode ter freqüência natural maior.

Segundo pesquisas, esse comportamento é desejável.

* PETERS M.E.; ANDRISANO D. The determination of longitudinal flying qualities requirements for light weight unmanned aircraft.

Nível 2

36

ESTABILIDADE

QUALIDADE DE VÔO LÁTERO-DIRECIONAL

Nível 1(Estável)

Velocidade de

subidaz

wn (rad/s

)

t1/2(s)

Rolamento

- -0,204

Dutch roll 0,388 4,68 -

Espiral - - 19,2

Nível 1(t1/2 < 1,0s)

Nível 1(z>0,19; zwn>0,35 rad/s e wn>1 rad/s)




Estática




37

CONTROLE


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

38



Estruturas4. Estabilidade5. Controle 5.1.Controle

Longitudinal

5.2.Controle Látero-Direcional

6. Desempenho

CONTROLE

CONTROLE LONGITUDINAL

Empenagem horizontal inteiramente móvel:

CL máximo e mínimo com folga.

Escolha acertada: Recuperação de mergulho.

Vídeo(futuramente... à noite)

39

CONTROLE

CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL1. Projeto



Longitudinal 5.2.Controle

Látero-Direcional

6. Desempenho

Emp. Vert. (Cvt)

Instabilidade em espiral.

Obrigatório diminuir EV

Controle Látero-direcional prejudicado.

Solução: Aumento de Ailerons.

Novo problema: Guinada adversa.

Solução Final: Ensaios em vôo e uso de ailerons diferenciais.

40

CONTROLE





Látero-Direcional

6. Desempenho

Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL:

Não há precipitação do estol.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

-5 0 5 10alfa (º)

Cl

Alfa maxAlfa minDeflexão (º)-12-8-404812

41

CONTROLE

CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL

Cálculo das derivadas de controle por Vortex Lattice e correção por resultados do XFOIL.





Látero-Direcional

6. Desempenho

Situação Limitante

Deflexão Máxima*

Ailerons Curva Nivelada 4,0°

Leme Curva Nivelada 5,5°

Profundor Subida -25,0°

* Com relação à fuselagem.

42

CONTROLE





Látero-Direcional

6. Desempenho

- Ensaio em túnel:

43

DESEMPENHO


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

44

DESEMPENHO

DESEMPENHO: REQUISITOS

•Objetivo principal: Cálculo de desempenho para obtenção da carga total máxima na competição.•Análise crítica do regulamento FAR 23

Mais Crítico

* Perda de pontos por carga útil não compensa a bonificação.


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

45

DESEMPENHO

DESEMPENHO1. Projeto

Conceitual

2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 15005

10

15

20

Altitude densidade (ISA) (m)

Ca

rga

Úti

l (K

g)

DecolagemSubidaCruzeiroRaio MínimoArremetidaPouso

São José dos Campos: ~20°C

46

DESEMPENHO

DESEMPENHO

Previsão de Carga Útil

Carga Útil = 14,039-0,0004*(H)

13,3

13,4

13,6

13,7

13,8

13,9

200 500 800 1.100 1.400 1.700

Altitude Densidade (m)

Car

ga

Úti

l (K

g)


2. Aerodinâmica


4. Estabilidade

5. Controle

6. Desempenho

48

DESEMPENHO

DESEMPENHO

FAR 23 - §23.51(4).

15 15.5 16 16.5 17 17.5 1812

12.5

13

13.5

14

14.5

15

Carga total(kg)

Vel

ocid

ade

de d

ecol

agem

(m/s

)

Restrição da decolagem

Restrição da subida

Ponto ótimo de decolagem (massa máxima)



Estruturas4. Estabilidade5. Controle6.

Desempenho

49

DESEMPENHO

DESEMPENHO

Desempenho Pontual

Altitude Densidade 600 m

Propriedade: Valor:

Velocidade de Stall: 10,9 m/s

Velocidade de decolagem: 12,8 m/s

Velocidade adequada para cruzeiro: 14,4 m/s

Velocidade máxima de vôo (Limitada pelo Cl min):

16,8 m/s

Razão de planeio (Alcance máximo): (-)6,575°

Velocidade vertical em planeio (Alcance máximo):

1,8 m/s

Distância para parada completa em pouso: 227,75 m

Velocidade ao passar a marca de 122m no pouso:

8,5 m/s

Raio mínimo de Curva Nivelada: 27 m



Estruturas4. Estabilidade5. Controle6.

Desempenho

50

AERODINÂMICA

ASAS

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25y/(b/2)

Cl V

loca

l

Asa inferior

Asa superior

Cl estol perf il

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25y/(b/2)

Cl V

∞

Asa inferior

Asa superior

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

-1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25y/(b/2)

Su

sten

taçã

o l

oca

l ad

imen

sio

nal

e

no

rmal

izad

a

Asa inferior

Asa superior

Distribuição Elíptica

• Estol na região dos ailerons:1. Projeto

Conceitual2.

Aerodinâmica


4. Estabilidade5. Controle6. Desempenho

51

CONTROLE





Látero-Direcional

6. Desempenho

Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL:

Não há precipitação do estol.

-0,9

-0,4

0,1

0,6

-10 -5 0 5 10

df (º)

DCl

Teórico [5] Alfa=6ºAlfa=3º Alfa=0º

52

CARGAS E ESTRUTURAS

ASAS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


-70-55-40-25-10

520

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25

y (m)

Mom

ento

Fle

tor

(N.m

)

Mx - Asa Superior Mx - Asa Inferior

Mz - Asa Superior Mz - Asa Inferior

53

CARGAS E ESTRUTURAS

ASAS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


-50-20104070

100

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25

y (m)

Esfo

rço

Cor

tant

e (N

)

Sx - Asa Superior Sx - Asa Inferior

Sz - Asa Superior Sz - Asa Inferior

54

CARGAS E ESTRUTURAS

ASAS1. Projeto



de Vôo 3.3.Asas

3.4.Empenagens


Asas 3.8.Trem de


0

4

8

12

16

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25

y (m)

Mom

ento

Tor

sor

(N.m

)

Asa Superior Asa Inferior

gustavo oliveira violato alex sandro maia fernandes eduardo rodrigues poço

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