Études des interactions aéroservoélastiques pour le mouvement de l'avion de test ATM au complet (longitudinal et latéral) en STARS

Popa, Ghiocel (2004). Études des interactions aéroservoélastiques pour le mouvement de l'avion de test ATM au complet (longitudinal et latéral) en STARS. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans cette thèse, le logiciel STARS (Structural Analysis Routines) est utilisé pour effectuer les analyses aéroservoélastiques de l'avion. STARS a été conçu par Dr. Kajal K. Gupta aux laboratoires de Centre de la NASA Dryden Flight Research.

Le but de notre thèse est le développement d'un modèle complet d'un avion (longitudinal et latéral) en partant de sa géométrie connue uniquement dans le plan latéral. Le modèle de référence ATM (Aircraft Test Model) a servi de base pour la réalisation du modèle complet d'un avion. C'est un modèle d'éléments finis d'un avion étudié seulement dans son plan latéral et qui contient tous les éléments essentiels pour effectuer une analyse aéroservoélastique toujours dans son plan latéral.

Dans une première étape, on va réaliser le modèle complet de l'avion par un ensemble d'éléments finis, donc des noeuds flexibles d'une certaine masse, amortissement et rigidité. Les modes de vibrations du modèle de test de l'avion ATM au sol, donc en l'absence de forces aérodynamiques, sont les modes de flexion et de torsion pour les surfaces portantes, le fuselage et les surfaces de commande.

Deuxièmement, l'avion est considéré en vol, sous la présence des forces aérodynamiques non stationnaires généralisées. Par la suite, les coefficients aérodynamiques d'influence sont calculés en fonction de six à dix fréquences réduites et plusieurs nombres de Mach de l'avion par méthode de doublets (DLM).

Les vitesses de battement pour l'avion complet ATM en boucle ouverte sont obtenues par les méthodes d'analyse de battement k et pk et ASE (similaire à la méthode LS) en STARS, et une comparaison finale est réalisée.

On a trouvé que les vitesses et les fréquences de battement obtenues sur le modèle de l'avion complet (longitudinal et latéral) sont très proches de celles obtenues en STARS sur la moitié du modèle original ATM d'où nous pouvons conclure que notre modèle complet de l'avion est validé.

Grâce au travail réalisé dans cette thèse, on pourra, à partir de maintenant, réaliser les calculs des interactions aéroservoélastiques sur l'avion au complet.

Titre traduit

Studies of aeroservoelastic interactions for the movement of whole test aircraft ATM (longitudinal and lateral) in the stars

Résumé traduit

The aeroservoelasticity is a multidisciplinary theory which calculates the interactions between aerodynamic forces, aeroelasticity and the servo controls. The aeroservoelastic interactions mainly concern the flutter studies on a flexible fly by wire aircraft.

More or less interactive software (such as ADAMS, ISAC, FAMUSS, ASTROS, ZAERO, EASY5x and STARS) were developed to estimate the flutter speeds and frequencies in the design stage of an aircraft, when its numerous properties of mass, damping and stiffness should still be established.

In order to carry out the sensitivities analysis, it is also very useful to study the effect of changes in Mach number, dynamic pressure, wing sweepback angle, mass ratio, aspect ratio, centre of gravity and pitching moment of inertia on the aircraft flight envelope.

In this thesis, we will use the STARS software (Structural Analysis Routines) for the aeroservoelastic analyses of an aircraft and we will apply STARS on an Aircraft Test Model ATM. The STARS software was developed by Dr. Kajal K Gupta at the NASA Dryden Flight Research Center laboratories where is used for multidisciplinary aeroservoelastic analysis of flight vehicles. Flight tests results were analysed in STARS to validate the precision and efficiency of the numerical developed algorithms.

The aim of this thesis is the development of a complete model of an aircraft (longitudinal and lateral) from its known geometry in its lateral motion. The Aircraft Test Model (ATM) was used as a basis in the realization of the complete aircraft model. This reference model is a finite elements aircraft structural model studied only in its lateral plane and contains ali the essential components to carry out an aeroservoelastic analysis always in its lateral plane.

In a first stage, one will design the aircraft complete model by an assembly of finite elements, therefore by flexible nodes of a certain mass, damping and stiffness. The vibration modes of the ATM are the bending and torsion modes for the lifting surfaces (wings, horizontal tail and vertical fin), the fuselage and the control surfaces (ailerons, rudder and elevators). We obtain a number of 20 vibration modes corresponding to an assembly of 20 frequencies smaller than 100 Hz for the aircraft on the ground, therefore in the absence of aerodynamic unsteady forces.

Secondly, the aircraft is considered in flight under the presence of the generalized unsteady aerodynamic forces. The lifting surfaces are divided into trapezoïdal panels parallel to the airspeeds and the induced pressure distribution is calculated. Thereafter, the aerodynamic influence coefficients and the unsteady aerodynamic forces are calculated as function of six to ten reduced frequencies and several Mach numbers by use of the Doublet Lattice Method (DLM) on the aircraft.

The flutter speeds for the complete aircraft test model ATM in open loop as well as in closed loop, in the presence of the controller, are obtained by the flutter k and pk methods and by the aeroservoelastic methods in STARS and one final comparison is realized between the values of flutter speeds obtained by these methods.

We found that the flutter speeds and frequencies obtained on the complete aircraft test model (longitudinal and lateral) are very close to those obtained in STARS on the original half model ATM from where we can conclude that our complete aircraft model is now validated.

The existence of the complete aircraft test model ATM allows finally the realization of the flight dynamics model applied to the aircraft complete test model, and more specifically to the aerodynamic unsteady forces which will lead to the validation of the quality of the global description of the aircraft dynamics in a dynamic flight context.

Until now, all the aeroservoelastic interactions calculations were realized at Larcase on the half of the aircraft test model ATM in its lateral plane. Grace to the work realized in this thesis, we will be able, starting now, to realize the calculations of the aeroservoelastic interactions on the complete aircraft (lateral and longitudinal).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie de la production automatisée". Bibliogr.: f. [154]-155.
Mots-clés libres:	Aerodynamique, Aeroelasticite, Aeroservoelasticite, Aeroservoelastique, Aircraft, Analysis, ATM, Avion, Interaction, Lateral, Longitudinal, Model, Modele, Mouvement, Plan, Routine, Servocommande, Stars, Structural, Test
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	02 mai 2011 20:14
Dernière modification:	22 oct. 2016 00:19
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/694

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