A transient approach about the viscoelastic damping effects over the aeroelastic stability of aeronautical structures

Flutter is a kind of aeroelastic instability caused by the simultaneous interaction of aerodynamic, elastic and inertial forces upon a structure. In the design of1 an aircraft, flutter is always a major concern due to its high risk of structural collapse. The constant search for solutions intended to increase aircraft performance and consequently reduce environmental impacts has motivated the use of new concepts, such as high aspect ratio wings and the employment of new materials. However, those solutions become an important structural challenge, since they induce an increase of flexibility making the structure prone to flutter. Thus, the use of passive vibration control techniques, such as viscoelastic materials may be a feasible solution to increase the system aeroelastic performance as a result of its high structural damping rate. Automotive and aeronautical industries largely employ viscoelastic materials to mitigate noise and small vibrations. Little is known about the real effect of viscoelastic damping to reduce aeroelastic instabilities. In this scenario, aeroelastic models always involve high computational costs and introducing viscoelasticity within it may cause them to be unfeasible. Therefore, the creation and employment of computational low costs models capable of representing the dynamic behavior of aeroviscoelastic systems is a real challenge. The focus here is to create feasible aeroviscoelastic models by applying reduction model techniques and mathematically improving the existent ones. Three kinds of aeroviscoelastic systems has been studied: aeronautical panels, a non linear typical section and a representative high aspect ratio wing. For those, three aerodynamic theories are used: the Piston Theory for panels, the Unsteady Wagner’s Theory and the Unsteady Strip Theory. Except for the panel models, experimental validation were carried through in wind tunnel.CBMM - Companhia Brasileira de Metalurgia e MineraçãoTese (Doutorado)O flutter, que é um tipo de instabilidade aeroelástica, é um fenômeno causado pela interação simultânea das forças aerodinâmicas, elásticas e inerciais em uma estrutura. No projeto de aeronaves, este é sempre um tema de extrema importância devido ao alto risco de colapso estrutural. A busca incessante por soluções que visam aumentar a eficiência das aeronaves e consequentemente reduzir impactos ambientais, têm motivado o uso de conceitos como asas de grande alongamento, bem como o emprego de novos materiais. Porém, estas soluções se tornam um enorme desafio de engenharia do ponto de vista estrutural, uma vez que há um grande aumento da flexibilidade da estrutura tornando-a propensa ao flutter. Neste sentido, o uso de técnicas passivas de controle de vibração, como o emprego de materiais viscoelásticos, pode ser uma solução viável para o aumentar a eficiência aeroelástica do sistema, devido à sua grande capacidade de amortecimento estrutural. As indústrias automotiva e aeronáutica utilizam amplamente os materiais viscoelásticos com o objetivo principal de atenuação de ruídos, ou pequenas vibrações. Pouco conhecimento se tem sobre o real efeito do amortecimento viscoelástico para atenuar instabilidades aeroelásticas. Neste contexto, modelos aeroelásticos quase sempre envolvem altos custos computacionais, e a introdução da viscoelasticidade nos mesmos pode tornálos proibitivos. Assim, a criação e emprego de modelos viáveis e capazes de representar o comportamento dinâmico de sistemas aeroviscoelásticos é um desafio. O foco deste trabalho, foi viabilizar modelos aeroviscoelásticos, aplicando técnicas de redução e pelo aperfeiçoamento matemático daqueles já existentes. Foram estudados três tipos de sistemas aeroviscoelásticos: painéis aeronáuticos, uma seção típica não linear e por fim uma asa representativa com grande alongamento. Três teorias de carregamento aerodinâmico são empregadas: a Teoria do Pistão para painéis, a Teoria de Wagner não estacionária para a seção tipica e a Teoria das Faixas, também não estacionária, para a asa. Salvo os modelos de painéis aeronáuticos, tanto a seção típica quanto o modelo de asa são validados experimentalmente em túnel de vento