Aeroelastic Analysis of Flexible Composite Proprotor Blades for Convertible Micro Air Vehicles

The vision driving the work reported herein is to investigate the fluid-structure interac-tion (FSI) effects of the flexible laminated blades for tilt-body micro-air-vehicles (MAV)proprotors in hover and forward flight configurations. This is in order to exploit the po-tential of flexible-bladed proprotor over the rigid-bladed proprotor in the enhancementof proprotor performance during hovering and cruising at a target forward speed. Forthat, the FSI model taking into account the specific problems devoted to MAV-sizedproprotor made of laminate composite was developed. The FSI model combines aerody-namic model adapting Blade Element Momentum (BEM) theory and structural modeladapting Anisotropic Finite Element Beam (AFEM) theory. The aerodynamic model isdeveloped to be capable of adapting in the analysis on low Reynolds number proprotors.In the structural model, the blade is modeled as an elastic beam undergoing deflectionsin flap, lag, and torsion to capture the coupling effects in anisotropic materials, adaptsthe structural analysis on proprotor blades made of laminate composite. The reliabilityof the developed FSI model is verified through a validation on both aerodynamic andstructural models, separately, on several MAV-sized proprotors. As for a direction to theanalysis on passively-adaptive proprotor blades, an optimal design on actively-adaptiveproprotor was carried out. For this, a program for designing the optimum rigid blades atsingle-point (for either isolated cruise-point or isolated hover-point) and multiple-point(combined cruise and hover point) for proprotors have been developed. The proceduresin the optimal design program employs the numerical iterative inverse design method,based upon the minimum thrust induced losses (MIL). Even if the work in this thesiswas directed primarily towards the proprotor, however, the propulsion system from themotor part was not neglected since the propulsion efficiency is a crucial factor to the suc-cess of MAVs. A cheap and time-effective method of proposing the best motor from theselected commercial motors was developed, based on Taguchi’s method. The sensitivityof the total power consumption to the variation of value of each motor design variableswas also studied. The benefit of the use of tip body in the blade and the effect of bendingon the induced twist and on the thrust degradation, respectively, were also analyzed andidentified. Finally, the systematically designed passively-adaptive composite proprotors were evaluated under steady operating conditions. Hovering and cruise propulsive performance, characterized by total power Ptotal, were compared between the rigid-bladed and flexible-bladed proprotors. As a result of the comparison, the flexible-bladed proprotor with fixed system is found to be capable of slightly enhancing the performance through the reduction in Ptotal over its optimal rigid-bladed proprotor.L’idée principale du travail rapporté ici est d’étudier les effets de l’intéraction fluide-structure (FSI) de pales laminées flexibles pour les proprotors de micro véhicules aériens(MAV) de type tilt-body dans les configurations de vol stationnaire et en avant. Eneffet, le but est d’exploiter les possibilités offertes par les proprotors à pales flexiblespar rapport aux proprotors à pales rigides pour améliorer leur performance dans cesphases de vol. Le modèle FSI a été développé à cet effet. Ce modèle tient compte desproblèmes spécifiques liés aux proprotors de MAV faits de composite laminé. Il com-bine l’adaptation de modèle aérodynamique par la théorie d’élement de pale (BEM) etl’adaptation de modèle structurel par la théorie des éléments finis de poutre anisotropes(AFEM). Le modèle aérodynamique est développé pour être capable de s’adapter àl’analyse des proprotors à bas nombres de Reynolds. Dans le modèle structural, la paleest modélisée comme une poutre élastique subissant des déviations dans la flexion, latraction et la torsion afin de capturer les effets de couplage de matériaux anisotropes.Il adapte l’analyse structurale des pales du proprotor faites de composite laminé. Lafiabilité du modèle FSI développé est vérifiée à travers une validation par modèles aéro-dynamique et structural, séparément, sur plusieurs proprotors de MAV. Afin de se dirigervers une analyse de pales de proprotors à adaptation passive , une recherche de designoptimal a été effectuée pour des proprotor à adaptation active. Pour cela, un programmepour la conception de pales rigides optimales à un unique point de fonctionnement (soitle vol de croisière soit le vol stationnaire) et à plusieurs points (combinant croisière etvol stationnaire) ont été développés. Les procédures du programme de design optimalemploient les mèthodes de design inverse par itération numérique, sur la base de pertesde poussée induites minimales (MIL). Même si le travail dans cette thèse a été dirigéprincipalement vers le proprotor, la partie moteur du système de propulsion n’a pasété négligée puisque l’efficacité de la propulsion est un facteur crucial pour le succès desMAVs. Une méthode simple et rapide de sélection du meilleur moteur parmi les moteurscommerciaux choisis est élaborée sur la base de la méthode de Taguchi. La sensibilitéde la consommation d’énergie totale à la variation de la valeur de chaque variable deconception du moteur a été étudiée. Le bénéfice de l’utilisation de la charge à la pointe de la pale et l’effet de la flexion sur la torsion induite et sur la dégradation de la poussée respectivement ont aussi été analysés et identifiés. Enfin, les proprotors à pales flexibles conçues systématiquement ont été évalués dans des conditions de fonctionnement stables. Performances en vol stationnaire et performances croisière propulsive, caractérisées par la puissance totale Ptotal ont été comparées entre les proprotors à pales rigides et à pales flexibles. En tant que résultat de la comparaison, les proprotors à pales flexibles s’avère capable d’améliorer légèrement les performances par la réduction de la Ptotal surson optimal proprotors à pales rigides