CÁLCULO PRELIMINAR DE CARGAS E ESTRUTURAS · 4000 6000 8000 10000 12000 14000 50,0 70,0 90,0 110,0...
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CCÁÁLCULO PRELIMINAR DE LCULO PRELIMINAR DE CARGAS E CARGAS E ESTRUTURASESTRUTURAS
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CARGASCARGAS
FREDERICO MOL
MARIO LOTT
RODRIGO VILA VERDE
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AeroAero DesignDesign
A Competição:
• Projetar e construir uma aeronave em escala reduzida, pilotado remotamente.
• Missão: levantar o maior peso possível em carga, dentro de comprimentos delimitados de decolagem e pouso.
COMPETIÇÃO
PROJETO
VÔO
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Itens da AvaliaItens da Avaliaçção de Projetoão de Projeto
• Relatório (texto em 30 páginas): 80 pontos.– Aerodinâmica: 15 pontos– Estruturas: 15 pontos– Desempenho: 15 pontos (inclui pontuação do gráfico!).– Estabilidade e controle: 15 pontos– Projeto: 20 pontos (inclui pontuação das plantas!)
• Planta (três vistas padrão):– Avaliada em Projeto!
• Gráfico - Carga Útil x Altitude– Avaliado em Desempenho!
• Apresentação Oral (15 minutos).– 20 pontos.
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JuJuíízes zes -- Divisão por DisciplinasDivisão por Disciplinas
• Desempenho
• Cargas / Estruturas• Aerodinâmica
• Estabilidade/Controle• Projeto
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O que são Cargas?O que são Cargas?
CARGASCARGAS
DimensionamentoEstrutural
DimensionamentoEstrutural
Projeto EstruturalProjeto Estrutural
Projeto deSistemas
Projeto deSistemas
PesoPeso
Aerodinâmica / Propulsão
Aerodinâmica / Propulsão
Peso
s e
C
.G.
Mas
sas
Inf. Aerodinâmicas
e Desempenho
Def. Estrutural
Def. Estrutural
-Determinação de forças, momentos e esforços a qual a aeronave é sujeita
-Define as diretrizes iniciais e se estendem até fase de detalhamento
-Atividade com interfaces multidisciplinar
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Importância das CargasImportância das Cargas
Requisitos
de Missão
Eventos
Operacionais
Análise
de cargas
Informação
utilizável
Estruturas
Sistemas
Outros
Traduz os requisitos de missão e eventos operacionais em informações utilizáveis por outros setores. Existem normas que direcionam a análise de cargas (FAR, JAR Part-23, 25, RBHA)
Determina grande parte dos requisitos estruturais, de sistemas e de operação
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Curso de CargasCurso de Cargas
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Tipos de AnTipos de Anáálise de Cargaslise de Cargas
-Estáticas:
-Análise de cargas atuantes em uma aeronave considerando condição de
equilíbrio estático
-Não significa necessariamente vôo reto nivelado
-Dinâmicas
-Cargas variantes no tempo
-Análise de Fadiga
-Estudo das cargas e seu número de ocorrência
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Diagrama de Peso e Diagrama de Peso e CentragemCentragem
• Determinação do centro de gravidade em relação a uma referência• Delimitação do envelope de passeio do CG• Fundamental para verificação de estabilidade e controle• Cumprimento de requisitos de desempenho• Dimensionamento estrutural
11000
12000
13000
14000
15000
16000
17000
18000
19000
20000
21000
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0
CG (% mac)
Mass (kg)
MZFW
MLW
MT OWFlight
MRW
Ground
Maximum Ramp Mass (MRW)
Maximum Take-Off Mass (MTOW)
Maximum Landing Mass (MLW)
Maximum Zero Fuel Mass (MZFW)
Maximum Mass Most Forward CG – flight
Maximum Mass Most Forward CG – ground
Minimum Mass Most Rearward CG
Minimum Mass Most Forward CG
Minimum Operating Mass
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Diagrama HDiagrama H--VV
• Determina as condições de velocidade e altitude para as quais o avião será projetado
E R J 1 7 0 - L o o p H 1
D e s ig n S p e e d s - E A S v s . A ltitu d e
0
2 0 00
4 0 00
6 0 00
8 0 00
1 0 0 00
1 2 0 00
1 4 0 00
50 ,0 7 0 ,0 9 0 ,0 1 1 0 ,0 1 30 ,0 15 0 ,0 1 7 0 ,0 1 9 0 ,0 2 10 ,0
E q u iv a le n t A irs p e e d (m /s )
Alt
itu
de
(m
)
V a
V b
V c
V d
V f 1
V f 2
V f 3
V f 4 , 5
V f 6
M d = 0 .89 0M b = 0 .701
M a = M c = 0 .820
Vc
= 1
64
.6 C
AS
Vd
= 1
92
.9 C
AS
Vb
= 1
38
.9 C
AS
V a = 123 .5 E A S
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Diagrama VDiagrama V--n Manobran Manobra
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Diagrama VDiagrama V--n Manobran Manobra
• Determina as condições de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistir
Limite de stall
Limitação
estrutural por
velocidade
Limitação estrutural
para fator de carga
Diagrama de manobra
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Diagrama VDiagrama V--n Rajadan Rajada
• Determina as condições de velocidade e fator de carga as quais a aeronave deve resistir
2.2661.998
-0.061
3.208
-1.099
-2.289-2.352
4.127
4.537
-1.170
-2.220-2.266
4.0504.543
2.823
-0.355
-0.064
2.024
1.832
0.04
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
EAS (m/s)
Nz
Flap 0 / 6096m Flap 0 / 7040m Flap 9 / 6096m Flap 18 / 6096m
Flap 22 / 6096m Flap 45 / 6096m
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Cargas no SoloCargas no Solo
• Pouso• Absorção de energia
• Aeronave com velocidade vertical e horizontal
• Manobras• Taxi, curvas, frenagem, etc
Configuração Triciclo Configuração Convencional
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Pouso DinâmicoPouso Dinâmico
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Tipos de AnTipos de Anáálise de Cargaslise de Cargas
-Corpo Rígido : (Cargas Estáticas )
-Análise de cargas atuantes em uma aeronave considerando condição de
equilíbrio estático. Não significa necessariamente vôo reto nivelado.
- Cargas variantes no tempo (rajada e manobra com histórico de tempo)
Carga estática: condições onde as forças externas estão em equilíbrio com as forças de inércia (avião rígido).
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Tipos de AnTipos de Anáálise de Cargaslise de Cargas
-Avião Flexível : (Cargas Dinâmicas)
-Análise de Fadiga
-Estudo das cargas e seu número de ocorrências ao longo da vida do avião.
Carga dinâmica: condições onde as forças externas se encontram em equilíbrio com as forças de inércia associadas aos modos rígidos e flexíveis (avião flexível).
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Fases do CFases do Cáálculo de Cargaslculo de Cargas
- Definir Requisitos (Aeronáutico ou próprio, com fatores de carga de manobra, razão de afundamento no pouso, fatores de segurança, etc)
- Congelar Dados Básicos (Configuração, Peso, CG, Coeficientes Aerodinâmicos, etc)
- Definir Velocidades (Diagrama H-V)- Cálculo das Respostas do Avião (Vôo e Solo)
(Forças Globais e Acelerações atuantes, Diagrama V-n)- Distribuição das cargas nos componentes principais (entenda-se:
asa, fuselagem, EH, EV e trem de pouso).
- Gráfico de esforços internos ao longo dos componentes (cortante, flexão, torção, normal nas direções de interesse).
(A utilização do Sistema Internacional de Unidades, assim como a definição de um sistema de referência é muito bem vinda para o melhor entendimento físico do desenvolvimento e das analises)
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RelatRelatóórios rios –– Cargas e EstruturasCargas e Estruturas
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RelatRelatóórios rios –– Cargas e EstruturasCargas e Estruturas
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RelatRelatóórios rios –– Cargas e EstruturasCargas e Estruturas
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ESTRUTURASESTRUTURAS
ANDRÉ SORESINI
FÁBIO MASSUIA
RAFAEL MORAES
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DefiniDefiniçções bões báásicas sicas airframeairframe
•Asa – componentes estruturais básicos– Longarina: Principal componente da asa, para esta categoria, desde que utilize
uma asa com longarina;
– Nervuras: Ajudam a dar forma para a asa, além é claro de ajudar a estrutura.
– Revestimento: Pode ou não ser estrutural, depende muito da concepção adotada da asa.
– Reforçadores: Muito pouco utilizados no Aerodesign. Ajudam a resistir a esforços axiais.
•FuselagemResponsável por armazenar a carga transportada, servos, motor, tanque de combustível, etc.
•Cauda – Tail BoomElemento que liga a empenagem na fuselagem. Responsável pela eficiência das superfícies de controle das empenagens.
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• Tensão Limite: Fim da região linear, quando o material exibe mais do que 2% de deformação permanente.
• Tensão Ultimate: quando a material falha, não necessariamente igual a 1.5 * tensão limite (yield stress). Mas utilizamos este método.
• Existem “allowables” de materiais (tração, compressão, cisalhamento) e “allowables” de propriedades geométricas locais (crippling, buckling, etc).
• MS = Tensão Aplicada / Allowable – 1 � MS deve ser maior que zero. Todos os valores menores que 0.5 devem ser analisados cuidadosamente para valores corretos de carga e allowables.
• Para cada MS, indicar o tipo de falha previsto! Cada MS deve estar associada a um modo de falha!
CargasCargas LimiteLimite, Ultimate e MS, Ultimate e MS
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• Safe-Life � vida de projeto específica;• Tolerante ao Dano � habilidade de resistir ao dano.
Componente estrutural com as seguintes características:– Os efeitos de impacto (qual tamanho, forma, força causadores da
falha estrutural); – As condições requeridas para causar fadiga de metal;– Habilidade de resistir à fadiga (por quanto tempo uma estrutura
resistirá sob um certo tipo de carregamento); – A resistência residual da estrutura depois de ter superado
impacto ou fadiga.
• Fail-Safe � estrutura redundante;
Filosofias Estruturais: fail safe /Filosofias Estruturais: fail safe /safe safe lifelife / / damagedamage toleranttolerant
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Eficiência EstruturalEficiência Estrutural
• Estrutura eficiente é aquela com o menor peso possível para carregar a maior carga de projeto estipulada, sem falhar.
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PossPossííveis Ensaiosveis Ensaios
• Resistência da asa � Carga Máxima à qual a mesma estará sujeita * fator de carga!
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DistribuiDistribuiçção de carga nos ão de carga nos componentescomponentes
• Asa / Fuselagem / Empenagem– Momento Fletor / Momento Torçor / Força
Cortante � Estes devem ser aplicados em cada estação da Asa / Fuselagem / Empenagem.
– Caminho de carga � Por onde a carga vai, qual componente da asa, fuselagem ou empenagem irá receber a maior parcela do carregamento.
– Efeitos Dinâmicos � Flutter na empenagem.
Momento Fletor na Asa, Exemplo
-200000
-150000
-100000
-50000
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Estação
Mo
men
to F
leto
r
Cortante na Asa, Exemplo
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Estações da Asa
Co
rta
nte
Momento Torçor na Asa, Exemplo
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
20000
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Estação
Mo
men
to T
orç
or
• Trem de pouso– Cargas de pouso / solo � Componentes
horizontais e verticais devem ser aplicadas nos pontos corretos. Efeitos secundários presentes.
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CondiCondiçções de Contorno (CC)ões de Contorno (CC)
•Análise Comparativa de CCAs condições de contorno são condições primordiais para qualquer modelagem, seja ela analítica ou por elementos finitos. Entender como a estrutura é e como éapoiada / fixada se torna essencial.
Engastada
Apoio nas 4 bordas
Apoio em 2 bordas
2.0mm
6.0mm
23.0mm
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• Quando realizar análise estrutural em EF?– Quando a análise analítica é inviável e/ou
onerosa;– Para determinação de esforços (força normal,
fluxo de cisalhamento, etc.) que posteriormente são aplicados num cálculo analítico!
– Ex. Longarina de asa � ANALÍTICO
Carga axial nos reforçadores ����analise analítica de tração e flambagem
Modelamento Estrutural Modelamento Estrutural vsvs. C. Cáálculo lculo AnalAnalííticotico
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Modelamento Estrutural Modelamento Estrutural vsvs. C. Cáálculo lculo AnalAnalííticotico
• Exemplo de Análise por Elementos Finitos.
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FEM FEM –– MMéétodo de Elementos Finitostodo de Elementos Finitos
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FEM FEM –– MMéétodo de Elementos Finitostodo de Elementos Finitos
•Conceitos Gerais– FEM separa a estrutura em diversos elementos da mesma estrutura;
– Os nós de cada elemento são reconectados como se nós fossemprendedores que mantêm os elementos unidos;
– Os resultados são um conjunto de equações algébricas simultâneas.
•Graus de Liberdade (DOF)– Continuum: infinitos DOF;
– FEM: finitos DOF.
•Aplicações do FEM– Entender como vários elementos se comportam com formatos e
carregamentos arbitrários, condições de contorno;
– Possibilita a aplicação de restrições complexas, as quais permitem queestruturas complexas sejam resolvidas.
•Desvantagens do FEM– FEM obtem apenas soluções aproximadas;
– Muitos dados de entrada são necessários.
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InterpretaInterpretaçção e Apresentaão e Apresentaçção de ão de ResultadosResultados
Azul Azul éé sempre sinal de algo bom?!sempre sinal de algo bom?!CritCritéérios de Falha rios de Falha �������� M.S.M.S. ou F.I. ou F.I. �������� AllowablesAllowablesUNIDADES! O resultado faz sentido?UNIDADES! O resultado faz sentido?•Azul é sempre sinal de algo bom?!•UNIDADES! O resultado faz sentido?•Critérios de Falha � M.S. ou F.I. � Allowables
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• O que acontece aqui?Saber o que observar em um modelo de Elementos Finitos é essencial. Qual o admissível? O componente está bom ou não?
InterpretaInterpretaçção e Apresentaão e Apresentaçção de ão de Resultados Resultados –– ExemploExemplo
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InterpretaInterpretaçção e Apresentaão e Apresentaçção de ão de Resultados Resultados –– ““Outros ExemplosOutros Exemplos””
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AnAnáálise Composto lise Composto vsvs. Met. Metáálicolico
• O que extrair de resultado de uma análise ou de outra?
Material Composto:Material Composto:
- Observar os índices de falha em cisalhamento laminar ou entre lâminas, relativos ao menor allowable utilizado.
- Observar os maiores valores de deformação ou tensão (Limit Stress/Strain) e comparar com os allowablesreferentes às direções 1 e 2, i.e, X e Y do material no modelo.
Material MetMaterial Metáálico:lico:
- Observar tensões de escoamento (yield) e ruptura (ultimate); esmagamento (bearing); compressão (compression).
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SeleSeleçção do Materialão do Material
• Observar tipo de carregamento e qual material se adapta a esta condição:– Carga de tração atuante;– Carga de compressão;– Cisalhamento.
• Condições ambientais?• Cargas cíclicas?
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• Cargas:– Resenha de Cálculo de Peso e Centragem, Cargas e Estruturas Aeronave
Acrobática Leve – Mario Lott (1989) – Anexo– Apostila Curso Tópicos especiais em Cargas e Aeroelasticidade (programa PEE –
EMBRAER) (34Mb)<http://www.demec.ufmg.br/Cea/Bibliografia/cargasnasaeronaves.pdf>
– T. Lomax, Structural loads analysis for commercial transport aircraft: Theory and practice.
– Raymer D. P (1982) Aircraft design a Conceptual Approach. AIAA Educacional series
– Aircraft Structural Loads: Requirements, Analysis, Testing, and Certification<http://www.continuinged.ku.edu/aero/course.php?aid=6>
• Estruturas:– NIU, Michael Chun-Yung:
• Airframe Structural Design;• Airframe Stress Analysis and Sizing;• Composite Airframe Structures;
– BRUHN, E. F., Analysis and Design of Flight Vehicle Structures.– JONES, Robert M., Mechanics of Composite Materials
• Geral:– FAR Part 23