A modular method for the direct coupled aeroelastic simulation of free flying aircraft

  • Ein modulares Verfahren für die gekoppelte aeroelastische Direktsimulation von frei fliegenden Flugzeugen

Wellmer, Georg; Behr, Marek (Thesis advisor)

1. Aufl.. - München : Hut (2014)
Doktorarbeit

In: Luftfahrt
Seite(n)/Artikel-Nr.: XV, 163 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit behandelt die Erweiterung einer bestehenden aeroelastischen Kopplungsumgebung auf frei fliegende Luftfahrzeuge mit Starrkörperfreiheitsgraden. Aeroelastik beeinflusst die Leistung, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit von Luftfahrzeugen. Deswegen muss die Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur bereits früh im Entwurfsprozess Berücksichtigung finden. Im Transschall verhindern allerdings nichtlineare Strömungseffekte die Anwendung von linearisierten Verfahren zur Vorhersage des Strömungsfeldes. Verfahren der Computational Fluid Dynamics (CFD) müssen stattdessen in das aeroelastische Lösungsverfahren mit eingebunden werden. Hier hat sich der partitionierte Ansatz als besonders flexibel erwiesen und wurde auch an der RWTH Aachen mit der Entwicklung des Aeroelastic Coupling Module (ACM) verfolgt. Das ACM ist in einer Reihe von Projekten erfolgreich angewandt worden, allerdings immer auf eingespannte Konfigurationen, also auf Windkanalmodelle. Für die Simulation realer Luftfahrzeuge kann die Einführung einer künstlichen Einspannung eine erhebliche Einschränkung darstellen, wie bei der Berechnung von Böen- und Manöverlasten oder bei der Vorhersage des Trimmwiderstands. Die in dieser Arbeit vorgestellte Erweiterung betrifft stationäre wie instationäre Simulationen von Konfigurationen mit Starrkörperfreiheitsgraden. Im Sinne des verfolgten partitionierten Ansatzes wird die Starrkörperbewegung mit Hilfe zusätzlicher Löser realisiert. Für einen stationären Flugzustand müssen vom Trimmalgorithmus die Steuerflächen geeignet ausgeschlagen werden, um einen Gleichgewichtszustand herbei zu führen. Der umgesetzte Trimmalgorithmus kommt ohne vorherige Kenntnis der Derivativa aus, da sie während der Simulation ermittelt werden. Instationäre Simulationen bedingen die Zeitintegration der Starrkörperbewegung. Dabei muss dafür gesorgt sein, dass Lasten nicht doppelt berücksichtigt werden, einmal in der Starrkörperlösung und einmal in der Strukturlösung. Deswegen wird ein trägheitsgemitteltes Koordinatensystem nach Milne eingeführt. Zudem müssen die verteilten strukturellen Lasten um die Trägheitslasten korrigiert werden, so dass die Gesamtkräfte und -momente im mitbewegten Koordinatensystem verschwinden. Der Algorithmus wird anhand eines generischen Ultra High Capacity Aircraft erprobt. Ausgehend von einem stationären Trimmzustand wird die Konfiguration mit Böen verschiedener Länge beaufschlagt. Bei den definierten Masse- und Steifigkeitsverteilungen entsteht eine Kopplung zwischen der Anstellwinkelschwingung und der symmetrischen Hauptbiegeeigenform. Ein vorläufiger Instabilitätsmechanismus wird identifiziert, der eine gewisse Ähnlichkeit zu "body freedom flutter" aufweist.

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