Design and Mechanical Evaluation of a Smart Droop Nose Device Regarding the Applicability of

104 Pages·2016·26.06 MB·English

by  Eduardo Aguiar

Design and Mechanical Evaluation of a Smart Droop Nose
Device Regarding the Applicability of the AZ31B-F Mg Alloy
Under Multiaxial Loading Conditions
Eduardo João Rodrigues Aguiar
Thesis to obtain the Master of Science Degree in
Aerospace Engineering
Supervisors: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis
Dr. José Lobo do Vale
Examination Committee
Chairperson: Prof. Fernando José Parracho Lau
Supervisor: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis
Members of the Committee: Prof. Filipe Szolnoky Ramos Pinto Cunha
Prof. Vitor Manuel Rodrigues Anes
December 2016
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Aosmeuspais
”Sehouverforc¸asquefac¸amlevantaristo,enta˜oaohomemnadae´ imposs´ıvel”
Jose´ Saramago
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Acknowledgments
Aos meus orientadores, Professor Lu´ıs Reis e Professor Jose´ Lobo do Vale quero expressar a
minhagratida˜opeloapoioedisponibilidadeconstanteparameajudareorientardurantetodooper´ıodo
dedesenvolvimentodestetrabalho.
AoInstitutodeEngenhariaMecaˆnica(IDMEC)ea` Fundac¸a˜oparaCieˆnciaeTecnologia(FCT)quero
agradeceroapoioprestadoeabolsadeinvestigac¸a˜odisponibilizada.
AoJesusPereiraagradec¸oacooperac¸a˜oconstantedurantetodaainvestigac¸a˜o.
AoSe´rgioMoreiraagradec¸ootrabalhodecolaborac¸a˜oetrocadeideias.
Aosmeuspaiseirma˜ Carolinaporquenuncafazemosnadasozinhos;Estemestradofoifeitosempre
aquatro.
A` Carolinapeloapoioincansa´velepeloexemplo.
A toda a minha fam´ılia por me acompanhar e sempre me incentivar a querer mais, com menc¸a˜o
especialaosmeusavo´s.
A` Guidaea` Ritapeloseternosconv´ıviosespalhadosporLisboaquetantomeajudaram.
A` AnaClara,a` Carla,aoTo´ Rui,aoZe´ eaoDuarteporandaremcomigoha´ tantotempo.
A todos os que me acompanharam durante o curso, quer em Lisboa quer em Pa´dua: Gonc¸alo,
Joa˜o Paulo, Mendes, Dias, Marta, Filipa, Souto, Andre´, Rodrigo, Francisco, Zoltan, Andra´s, Mara e
Francesca.
Aosmeus.
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Resumo
A gerac¸a˜o futura de superf´ıcies sustentadoras tem que reduzir o ru´ıdo e o arrasto de uma aeron-
ave; Dadaaauseˆnciadefendas, costurasedescontinuidades, osmartdroopnose temsidoapontado
como um dos dispositivos que permitira˜o atingir estes objectivos . Ale´m disto, durante o processo de
design de aeronaves ha´ uma incompatibilidade: para a situac¸a˜o de voo de cruzeiro, uma asa que ap-
resente pouca curvatura me´dia e´ mais eficiente, enquanto que para descolagem, aterragem e loiter
uma asa com curvatura e´ a melhor opc¸a˜o. O smart droop nose e´ um dispositivo de bordo de ataque
queaumentaacurvaturame´diadoperfil;Na˜oso´ produzsustentac¸a˜oadicional,bemcomo(eprincipal-
mente)aumentaoaˆngulodeperda,α . Poroutrolado,dadasaspropriedadesdasligasdemagne´sio,
s
a mais baixa densidade de todos os materiais estruturais meta´licos e um alto ra´cio entre a resisteˆncia
eopeso,estassa˜oidentificadascomoligascomgrandepotencialparaaplicac¸o˜esfuturasnaindu´stria
aeroespacial. Contudo, apresentam um comportamento mecaˆnico bastante peculiar que ainda esta´
sob investigac¸a˜o. Este trabalho apresenta uma descric¸a˜o da metodologia do processo de design de
um smart droop nose com um compliant mechanism feito com a liga de magne´sio AZ31B-F. Uma
optimizac¸a˜o estrutural e umaavaliac¸a˜o aerodinaˆmica relativamente a`s capacidades do dispositivo sa˜o
apresentadas. O resultado final do dispositivo providencia melhoramentos relacionados com o aˆngulo
de perda, velocidade de perda, tempo de loiter e reduc¸a˜o do peso estrutural quando comparado com
ligas de alum´ınio. Relativamente ao comportamento mecaˆnico da liga de magne´sio AZ31B-F quando
submetida a carregamentos multiaxiais, foi feito um estudo comparativo entre os modelos teo´ricos de
orientac¸a˜odoplanocr´ıticodefalhaeosplanosverificadosexperimentalmente;Algunsdosmodelosde
planocr´ıticoestudadosobtiveramboasestimativasquandocomparadoscomasana´lisesfractogra´ficas.
Keywords:
Smart Droop Nose, Optimizac¸a˜o estrutural, Compliant Mechanism, Fadiga Multi-
axial,LigadeMagne´sioAZ31B-F
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Abstract
Thefuturegenerationofhighliftdevicesmustreduceaircraftnoiseanddrag; Giventheabsenceof
gaps,seamsandsteps,smartdroopnosehasbeenidentifiedasoneofthefuturedevicestoaccomplish
thisobjectives. Moreover, inaircraftdesignthereisanincompatibility: forcruiseflight alittlecambered
wing provides better efficiency, but for take-off, landing and loiter a cambered wing is the best option.
The smart droop nose is a leading edge device which increases the curvature of the camber and not
onlyproducesadditionallift,butalso(andmainly)increasesthestallangle,α . Ontheotherside,given
s
theinterestingpropertiesofmagnesiumalloys,thelowestdensityofallmetallicconstructionalmaterials
andhighspecificstrengthtoweightratio,havebeenidentifiedasamaterialwithgreatpotentialforfuture
applications in aerospace industry. However, they experience a unique mechanical behavior which is
still under research. This work presents a description of the design’s methodology of a smart droop
nose using a compliant-mechanism made of AZ31B-F magnesium alloy. A structural optimization and
an aerodynamic assessment of the capabilities of the smart droop nose are present. The final result
provides improvements related with the stall angle, stall velocity, loiter time and overall weight when
comparedwithaluminumalloys. InregardstothemechanicalbehavioroftheAZ31B-Fmagnesiumalloy
when subjected to multiaxial loadings, a comparative study between the theoretical models of critical
plane orientation and the experiemental results were performed; Some theoretical models provided
acceptableresultswhencomparedwiththeexperimentalfractographicanalysis.
Keywords:
Smart Droop Nose, Structural Optimization, Compliant Mechanism, Multiaxial Fa-
tigue,AZ31B-FMagnesiumAlloy
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