65ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 3. Engenharia Civil

DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS PARA A MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE PROBLEMAS FLUIDO-ESTRUTURAIS ACOPLADOS

Matheus Silva de Freitas - Núcleo de Tecnologia – UFPE Alessandro Romario Echevarria Antunes - Prof. Dr. /Orientador – Núcleo de Tecnologia - UFPE

INTRODUÇÃO:

A aeroelasticidade se preocupa em estudar a interação mútua entre as forças elásticas e as forças aerodinâmicas. Fenômenos aeroelásticos aparecem quando deformações estruturais induzem forças aerodinâmicas adicionais que produzem novas deformações estruturais. Tais interações podem tender ao equilíbrio ou a destruição da estrutura. Em aeroelasticidade há preocupação com três fenômenos básicos: Flutter, e Divergence e Buffeting. Neste projeto concentrou-se em estudar e controlar a ocorrência do “Flutter”. Problemas envolvendo interações fluido-estruturais são freqüentemente encontrados em diversos ramos da indústria. Atualmente os grandes projetos de engenharia necessitam de análises do impacto destas interações tanto na integridade das estruturas quanto no conforto que elas proporcionam aos seus ocupantes. Na modelagem e simulação de fenômenos envolvendo interações fluido-estruturais, as equações governantes do problema fluido precisam ser escritas em uma formulação arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE), onde uma região do domínio físico deve ser descrito discretamente por uma malha móvel, que se move independentemente do movimento das partículas fluidas. Vários testes foram realizados para testar a implementação computacional, entre eles, vibrações livres e vibrações forçadas.

OBJETIVO DO TRABALHO:

O objetivo deste trabalho foi desenvolver rotinas que tratem as equações diferenciais que governam os fenômenos aeroelásticos em perfis aerodinâmicos. Para isso, uma seqüência de estudos programáticos foi efetuada para o enfrentamento dos complexos problemas decorrentes dos fenômenos estudados.

MÉTODOS:

Todas as ferramentas computacionais desenvolvidas foram desenvolvidas em ambiente MATLAB, e as equações diferenciais governantes foram discretizadas utilizando-se os métodos de Diferenças Finitas e Elementos Finitos A análise do perfil de asa-flap aeroelástica foi feita mediante a simulação de um sistema massa-mola-amortecedor, através do qual se torna possível o estudo das condições de convergência das vibrações, quando o perfil é submetido à ação. Nesta analise é de interesse o comportamento da translação e rotação do perfil. O modelo de asa escolhido neste trabalho é o NACA0012, bastante utilizado na literatura para estudos aeroelásticos, porém as rotinas desenvolvidas são funcionais para outros perfis aerodinâmicos. As propriedades físicas deste perfil, tal como, massa, comprimento, e momento de inércia, foram calculadas a partir de rotinas do subprograma, considerando os pontos do perfil.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Foram realizadas análise considerando o perfil NACA0012 com e sem flap, onde foi possível obter as condições de estabilidade em relação às vibrações sofridas devidas às ações das forças de arrasto, sustentação, e ao momento angular que ocorre porque o centro de gravidade não coincide com o centro de pressão. Variações de parâmetros como rigidez e coeficiente de amortecimento possibilitaram um melhor entendimento dos fenômenos estudados. Ao final deste trabalho, obteve-se uma ferramenta versátil para análise de fenômenos fluido-estruturais acoplados compreendendo todas as etapas necessárias, tais como adaptação das equações para descrições ALE, rotinas de movimentação e suavização de malhas, e algoritmo de acoplamento dos diferentes campos envolvidos.

CONCLUSÕES:

Neste projeto se teve como alvo passar ao máximo o conhecimento sobre interação fluido estrutura ao estudante de iniciação cientifica. O estudo da aeroelasticidade, devido a sua complexidade, requer muito tempo, contudo foi possível realizar um trabalho sério no período em que se passou na iniciação. Na primeira parte, em que se formulavam os programas, preocupou-se principalmente na convergência dos resultados, e nas condições de tendência das vibrações do perfil da asa. A comparação a um sistema massa mola se mostrou efetivo na aproximação das condições reais às quais o perfil é submetido. Trabalhou-se inicialmente com dois graus de liberdade, um relativo à deflexão e o outro referente à torção e posteriormente adicionou-se a torção do flap. Conseguiu-se obter resultados satisfatórios, além de poder visualizar o problema aeroelástico na sua forma completa, e assim, abrindo caminho para uma simulação mais pratica para a comprovação do estudo em questão. Logo, tem-se uma ferramenta muito útil para a análise de problemas fluido-estruturais acoplados.

Palavras-chave: Aeroelasticidade, Interação fluido-estrutura, Simulação computacional.