effects of morphing on aeroelastic behavior of unmanned aerial vehicle wings a thesis submitted to

205 Pages·2014·11.64 MB·English

EFFECTS OF MORPHING ON AEROELASTIC BEHAVIOR OF UNMANNED
AERIAL VEHICLE WINGS

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

LEVENT ÜNLÜSOY

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY
IN
AEROSPACE ENGINEERING

FEBRUARY 2014

Approval of the thesis:
EFFECTS OF MORPHING ON AEROELASTIC BEHAVIOR OF
UNMANNED AERIAL VEHICLE WINGS
submitted by LEVENT ÜNLÜSOY in partial fulfillment of the requirements for the
degree of Doctor of Philosophy in Aerospace Engineering Department, Middle
East Technical University by,

Prof. Dr. Canan Özgen _____________________
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences

Prof. Dr. Ozan Tekinalp _____________________
Head of Department, Aerospace Engineering

Prof. Dr. Yavuz Yaman _____________________
Supervisor, Aerospace Engineering Dept., METU

Examining Committee Members:

Prof. Dr. Serkan Özgen _____________________
Aerospace Engineering Dept., METU

Prof. Dr. Yavuz Yaman _____________________
Aerospace Engineering Dept., METU

Assoc. Prof. Dr. Melin Şahin _____________________
Aerospace Engineering Dept., METU

Assoc. Prof. Dr. Ender Ciğeroğlu _____________________
Mechanical Engineering Dept., METU

Assoc. Prof. Dr. Erdem Acar _____________________
Mechanical Engineering Dept., TOBB ETU

Date: 07.02.2014
I hereby declare that all the information in this document has been obtained
and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also
declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and
referenced all material and results that are not original to this work.
Name, Last Name:
Signature:
iv
ABSTRACT
EFFECTS OF MORPHING ON AEROELASTIC BEHAVIOR OF UNMANNED
AERIAL VEHICLE WINGS
Ünlüsoy, Levent
Ph.D., Department of Aerospace Engineering
Supervisor : Prof. Dr. Yavuz Yaman
February 2014, 175 pages
Morphing aircraft technologies became the center of attention in aviation
industry through the last decade. Although the intended optimization of the aircraft
in terms of aerodynamics and/ or flight performance resulted in advantages like
reduction in carbon dioxide emission and noise levels; that also brought some
structural borne problems such as the possibly deteriorating change in the aeroelastic
behavior of the structure. These structural problems should be clearly identified and
attempted to be eliminated even at the conceptual design stages.
This study intends to provide a broad view for the effects of morphing
especially on the linear aeroelastic behavior of unmanned aerial vehicle wings. The
study considered four different flight phases, namely take-off, climb, cruise, and
loiter. An unmanned aerial vehicle wing, which was considered to be used in these
four phases, was assumed to undergo chord, span, sweep and camber change with the
help of certain morphing mechanisms such as the leading and the trailing edge
mechanisms and the telescopic ribs and spars. Four different wing geometries were
then obtained by considering the aircraft design requirements, aircraft performance
v
requirements and aircraft structural requirements. Those four different wing shapes
so obtained, which satisfy the minimum requirements for design, performance and
structure and by no means optimum for any of those requirements, were studied for
linear aeroelastic instability problems. An in-house computer program was
developed and used for the prediction of the flutter and divergence speeds at different
stages of the flight, in which the planform of the wings were changing.
Aeroelastic models of morphing wings at different flight phases were
developed as reduced order models having two-degrees-of-freedom and three-
degrees-of-freedom. Theodorsen theory was used to represent the unsteady
aerodynamics. Structural properties of the wings were obtained by conducting a
series of finite element analyses on the developed equivalent plate models
representing the planform of each morphing wing shapes. Two different classical
solution methods were used during the aeroelastic analysis; k-method and pk-
method. Aeroelastic analyses conducted showed that the flutter and divergence
speeds drastically changes up to 58 percent and 75 percent respectively among
different wing configurations, when compared to the highest flutter and divergence
speeds achieved.
A series of analyses were conducted throughout this study, in order to
identify the structural problems which arise due to the inclusion of the morphing
phenomenon in aircraft design. It was realized that, the aeroelastic tailoring due to
the morphing should be an essential part of the structural design procedure.

Keywords: Aeroelastic Analyses, Flutter Prediction, Morphing Wing Design,
Reduced Order Aeroelastic Modeling
vi
ÖZ
ŞEKİL DEĞİŞTİREBİLMENİN İNSANSIZ HAVA ARACI KANATLARININ
AEROELASTİK DAVRANIŞINA ETKİLERİ
Ünlüsoy, Levent
Doktora, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü
Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Yavuz Yaman
Şubat 2014, 175 sayfa
Şekil değiştirebilen uçak teknolojileri geçtiğimiz on yılda havacılık
sanayisinde ilgi odağı haline gelmiştir. Uçağın aerodinamik ve/ veya uçuş
performansı açısından amaçlanan en iyileştirmesi, karbondioksit salınımının ve
gürültü düzeylerinin azalması gibi faydalarının yanı sıra, aeroelastik davranışın
olumsuz yönde etkilenmesi gibi yapısal kaynaklı sorunların da ortaya çıkmasına
sebep olmaktadır. Bu yapısal problemler dikkatlice belirlenmeli ve kavramsal
tasarım aşamasından başlayarak giderilmeye çalışılmalıdır.
Bu çalışmanın hedefi, başta insansız hava aracı kanatlarının doğrusal
aeroelastik davranışı olmak üzere, şekil değiştirebilmenin olası etkileri hakkında
kapsamlı bir bakış açısı sağlamaktır. Çalışmada kalkış, tırmanış, seyir ve avare uçuş
olmak üzere dört farklı uçuş evresi incelenmiştir. Bu dört evrede kullanılması
düşünülen insansız hava aracı kanadının hücum ve firar kenarı mekanizmaları,
teleskopik kaburga ve kiriş mekanizmaları gibi bazı şekil değiştirme mekanizmaları
yardımıyla veter, kanat açıklığı, süpürme açısı ve kambur değişimine uğradığı
varsayılmıştır. Dört farklı kanat geometrisi elde edilirken; uçak tasarım
vii
gereksinimleri, uçak performans gereksinimleri, uçak yapısı gereksinimleri göz
önünde bulundurulmuştur. Gereksinimler açısından asgari değerleri sağlayan ancak
bu gereksinimler açısından hiçbir şekilde en iyileştirilme süreçleri uygulanmayan bu
dört kanat şekli, doğrusal aeroelastik kararlılık açısından incelenmiştir. Kanat
kuşbakışı görüntüsünün değişime uğradığı, bu dört farklı uçuş evrelerindeki çırpma
ve ayrılma hızları tez sürecinde geliştirilen özgün bir bilgisayar programı yardımıyla
belirlenmiştir.
Şekil değiştirebilen kanatların farklı uçuş evrelerindeki aeroelastik modelleri,
iki-serbestlik-dereceli ve üç-serbestlik-dereceli düşük mertebe modeller olarak
geliştirilmiştir. Değişken aerodinamik yükler Theodorsen teorisi kullanılarak
gösterilmiştir. Kanatların yapısal özellikleri, farklı uçuş rejimlerindeki kanatlar için
geliştirilen eşdeğer plak modelleri üzerinde yapılan bir dizi sonlu elemanlar analizi
ile elde edilmiştir. Aeroelastik analizlerde iki farklı klasik çözüm yöntemi olan k-
yöntemi ve pk-yöntemi kullanılmıştır. Farklı uçuş rejimlerine ait yapılandırmalar için
yapılan aeroelastik analizler, hesaplanan en yüksek çırpma ve ayrılma hızlarıyla
kıyaslandığı takdirde çırpma ve ayrılma hızlarında sırasıyla yüzde 58 ve yüzde 75’e
varan oranlarda değişimler olduğunu göstermiştir.
Bu çalışmada, şekil değiştirebilme olayından kaynaklanan yapısal sorunların
belirlenmesi için analizler yapılmıştır. Çalışma sonucunda, şekil değiştirebilen kanat
tasarımında aeroelastik iyileştirmenin yapısal tasarım sürecinin son derece önemli bir
parçası olduğu gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Aeroelastik Analizler, Çırpmanın Öngörümü, Şekil
Değiştirebilen Kanatların Tasarımı, Basitleştirilmiş Aeroelastik Modelleme

viii
to
my parents, sister
and wife
for their love, care and support
and
to
my late grandpas
ix
ACKNOWLEDGEMENTS
I would like to express my deepest gratitude to my supervisor and whom I
believed to be my mentor, Prof. Dr. Yavuz Yaman for his patient guidance,
encouragements, insight and support in this study.
I would like to thank my thesis committee members Assoc. Prof. Dr. Melin
Şahin and Assoc. Prof. Dr. Ender Ciğeroğlu for their advices on the scope of this
thesis, which improved the quality of this work.
I would like to show my sincere respects to the other jury members, Prof. Dr.
Serkan Özgen and Assoc. Prof. Dr. Erdem Acar for their afford in order to evaluate
and enhance this study.
The licensed software used in this thesis in between February 2010 and
February 2012 was properties of Middle East Technical University where the author
was formerly employed. The licensed software used in between February 2012 and
February 2014 was properties of University of Turkish Aeronautical Association,
where the author is employed on the time this study was published. The opportunity
given on the usage of the software was appreciated.
I would like to thank my parents and my sister for their love, care and
support.
Finally, I would like to thank my beloved wife, who always makes me felt
loved and each day of my life delightful.
x