Control of aeroelastic oscillations of wing structures using bonded piezoelectric strips

The objective of this project is the analysis and control of the aeroelastic oscillations of a wing structure with bonded piezoelectric strips subject to unsteady subsonic aerodynamic loads. Active control of aeroelastic oscillations and the use of piezoelectric materials in vibration analysis and control of structures have been the subjects of many researches in air vehicle design. However, most of the research in these areas has been restricted to simple models such as two-dimensional or quasi-steady aerodynamic models. Hence, in order to obtain accurate and valid results, considering the effects of unsteadiness and three-dimensionality in the modeling is necessary.This complex problem requires time-dependent simultaneous solution of the dynamics equations of the elastic structure with the piezoelectric strips, coupled with the equations of the unsteady flow past oscillating wings. In the present thesis, the unsteady subsonic aerodynamic loading of a trapezoidal wing structure is calculated using numerical panel methods for two- and three-dimensional flows. The developed models are validated with the existing literature and the results show good agreement. Piezoelectric strips are employed as sensors and actuators bonded to the surface of the wing. The finite element formulation of the combined structural model for the wing and the piezoelectric strips is presented. The structural model is coupled with the aerodynamic model using an interactive computer model to transfer the data at each time step and solve the equations simultaneously. The transient analysis is used to simulate the aeroelastic oscillations and an active PID feedback controller is proposed and applied to suppress the oscillations. The numerical results for the various cases of the control of oscillations caused by the vertical gust loads are presented. The results show that the PID control is effective in reducing the amplitude of the oscillations in relatively short time and with relatively small gains, hence low cost. A systematic approach is presented to calculate the gains of the feedback controller using the system matrices. An analysis is performed as well to investigate the effects of the actuator placement on the performance of the controller in suppression of the oscillation for various scenarios. It was demonstrated that the actuators placed close to the wing root are more effective in reducing the amplitude of the oscillations in less time.L'objectif de ce projet est l'analyse et le contrôle des oscillations aéroélastiques d'une structure de l'aile avec des bandes collées piézoélectriques soumises à des charges aérodynamiques subsoniques instables. Le contrôle actif des oscillations aéroélastiques et l'utilisation de matériaux piézoélectriques dans l'analyse des vibrations et le contrôle des structures a fait l'objet de nombreuses recherches dans la conception des véhicules aériens. Cependant, la plupart des recherches dans ces domaines ont été limitées à des modèles simples tels que les modèles aérodynamiques à deux dimensions ou quasi-stables. Par conséquent, afin d'obtenir des résultats précis et valables, il est nécessaire de considérer les effets de l'instabilité et de la tridimensionnalité dans la modélisation. Ce problème complexe nécessite de résoudre de manière simultanée en fonction du temps l'équation de la dynamique de la structure élastique avec des bandes piézoélectriques couplée avec les équations du flux instable autour des ailes oscillantes. Dans cette thèse, la charge aérodynamique subsonique instable d'une structure d'aile trapézoïdale est calculée en utilisant des méthodes de panneaux numériques pour des flux à deux et trois dimensions. Les modèles développés sont validés avec la littérature existante et les résultats démontrent un bon accord. Des bandes piézoélectriques sont utilisées comme capteurs et des actionneurs liés à la surface de l'aile. La formulation des éléments finis du modèle structurel de l'aile combiné avec les bandes piézoélectriques est présentée. Le modèle structurel est couplé avec le modèle aérodynamique à l'aide d'un modèle informatique interactif pour transférer les données à chaque pas de temps, et résoudre les équations simultanément. L'analyse transitoire est utilisée pour simuler les vibrations aéroélastiques et un contrôleur de retour PID actif est proposé et appliqué pour supprimer les oscillations. Les résultats numériques pour les différents cas de contrôle des oscillations provoquées par les charges des rafales de vents verticales sont présentés. Les résultats démontrent que le contrôle PID est efficace pour réduire l'amplitude des oscillations en relativement peu de temps et avec relativement peu de gains, donc à faible coût. Une approche systématique est présentée pour calculer les gains du contrôleur de rétroaction en utilisant les matrices du système. L'analyse est aussi effectuée pour étudier les effets de la mise en place de l'actionneur sur la performance du dispositif de commande dans la suppression de l'oscillation de divers scénarios. Il a été démontré que les actionneurs placés à proximité de l'emplanture de l'aile sont plus efficaces dans la réduction de l'amplitude des oscillations en moins de temps