En predikterande aeroelastisk modell för vingar med höga sidoförhållanden i överljudsströmning

Aeroelasticity is a multidisciplinary subject encompassing several fields of study. Aeroelastic behaviour is defined by the relation between inertial-, elastic- and aerodynamic forces that appear in dynamic systems in steady- or unsteady conditions. Published literature in the field of supersonic aeroelasticity does not generally provide a thorough demonstration of application. Further, high precision methods incorporated in commercial software often require an extensive preparatory phase and entail a significant computational cost. Thus, the absence of rapid and affordable estimation models for supersonic aeroelastic analyses appears evident. Hence, the scope of this report is to demonstrate and describe the development of an estimation model for aeroelastic analysis of wing structures. The developed model should generate rapid results indicative of the true aeroelastic behaviour of slender wings with thin airfoil geometries in varying supersonic flow conditions. The wing is modelled as a structural finite element beam with properties based on Euler bending- and St. Venant torsion theory. Moreover, two quasi-steady aerodynamic models of Piston theory and Unified Oscillatory Supersonic-Hypersonic theory are presented. The aerodynamic models are implemented in the finite element wing model through strip theory. The computational aeroelastic model is assembled to perform aeroelastic analyses in steady- and quasi-steady conditions. The developed models are evaluated against the previously conducted aeroelastic studies of the Torii Matsuzaki wing by Hiroshi Torii and Yuji Matsuzaki and Marius-Corné Meijer. The conclusion regarding the developed model for supersonic aeroelastic analysis is that it generates results rapidly for varying geometries and flow conditions. Unfortunately, when analysing the aeroelastic behaviour of wings with double-symmetric airfoils, a paradox of infinite stability ensues. Due to lack of modern experimental data and time limitations, no further validation of the aeroelastic model is presented. Thus, the developed aeroelastic prediction model cannot presently be fully evaluated as it requires additional work and validation.Aeroelasticitet är ett tvärvetenskapligt ämne som omfattar flera studieområden. Aeroelastiskt beteende definieras av förhållandet mellan tröghets-, elastiska- och aerodynamiska krafter som uppträder i dynamiska system under stabila- eller instabila förhållanden. Publicerad litteratur inom området överljudsaeroelasticitet är ofta allmängiltig och ger inte en grundlig demonstration av tillämpningsmetoder. Vidare baseras kommersiell programvara inom området generellt på beräkningstunga metoder och kräver ofta en omfattande förberedelsefas vilket medför betydande beräkningskostnader. Således förefaller sig avsaknaden av snabba och prisvärda uppskattningsmodeller för överljudsaeroelastiska analyser uppenbar. Följaktligen skall denna rapport omfatta och beskriva utvecklingen av en aeroelastisk modell som genererar snabba resultat. Resultaten skall vara indikativa av det verkliga aeroelastiska beteendet hos smala vingar med tunna vingprofiler i varierande överljudsflöden. Den strukturella vingmodellen är uppbyggd med hjälp av finita elementmetoder och är modellerad såsom en balk med egenskaper baserade på Eulers böjnings- och St. Venants vridningsteori. Vidare presenteras två kvasi-stabila aerodynamiska modeller benämnda Piston theory och Unified Oscillatory Supersonic-Hypersonic theory. De aerodynamiska modellerna implementeras i vingmodellen genom stripteori. Den framtagna aeroelastiska beräkningsmodellen möjliggör aeroelastiska analyser av vingkonstruktioner i stabila och kvasi-stabila förhållanden. De utvecklade modellerna utvärderas mot tidigare aeroelastiska studier av Torii Matsuzaki-vingen genomförda av Hiroshi Torii och Yuji Matsuzaki och Marius-Corné Meijer. Slutsatsen gällande den utvecklade modellen för överljudsaeroelastisk analys är att den genererar resultat snabbt för varierande vinggeometrier och flödesförhållanden. Vid analyser av det aeroelastiska beteendet hos vingar med dubbelsymmetriska profiler uppstår dessvärre en paradox av oändlig stabilitet. På grund av bristande tillgänglighet av modern experimentell data och tidsresurser presenteras ingen ytterligare validering av den aeroelastiska modellen. Således kan den framtagna modellen inte fullständigt bedömas utan kräver ytterligare arbete och validering