Aeroelastische Untersuchungen an einem Nurflügel mittels Abaqus

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1 Aeroelastische Untersuchungen an einem Nurflügel mittels Abaqus N. Friedl CAE Simulation & Solutions GmbH First World Conference on T. Daxner et al. CAE Affairs Seite 1

2 Überblick Überblick Motivation Fluid-Struktur-Interaktion (Aeroelastik) Multiphysics Fluid-Struktur-Koppelung Ergebnisse Seite 2

3 Motivation UL-Nurflügel Fußstart fähiger Gleiter Spannweite: 12 m Fläche: 12 m² VTrim: 20 m/s Steuerung: aerodynamisch N. Friedl ABAQUS Users Meeting, Graz 2009 Seite 3

4 Nurflügel Struktureller Aufbau Quer-/Höhenruder Profilrippen Wölbklappen Material: CFK(-Sandwich) D-Holm Seite 4

5 Fluid-Struktur Struktur-Interaktion Fragen an die Simulation Wie verhält sich Struktur unter Fluidlasten? Steuerkräfte,... Gibt es kritische Geschwindigkeiten? Struktursteifigkeit (δf/δu) konstant (lineares Verhalten) Staudruck: q=ρv²/2 Laststeifigkeit δa/δu = proportional zu v² Ausreichende Struktursteifigkeit für alle Flugzustände? Seite 5

6 Fluid-Struktur Struktur-Interaktion Einige aeroelastische Phänomene Struktursteifigkeit Statische Aeroelastik Wirkungsgrad Ruderwirksamkeit Divergenz Flattern Aerodynamik Massenträgheit Seite 6

7 Multiphysics Multiphysics: Struktursteifigkeit (Festköpermechanik) Statische Aeroelastik Wirkungsgrad Ruderwirksamkeit Divergenz Aerodynamik (Fluidmechanik) Seite 7

8 Multiphysics Festkörpermechanik FE-Schalenmodell 7000 Elemente Masse des Modells: 12 kg Analysedauer: 20 sec Flugzeugschwerpunkt Seite 8

9 Multiphysics Fluidmechanik Eigenschaften der Flügelumströmung Ma << 1 => inkompressibel Hohe Reynoldszahl > 10 5 => Grenzschicht dünn Strömungsmodell: Klassische CFD-Solver (Fluent) für rasche Studien zu aufwändig Analytische Ansätze (Streifenmodelle) zu ungenau Panelmethoden (Boundary-Element-Methode) für Außenaerodynamik sehr gut geeignet Seite 9

10 Fluidmechanik Panelcode P4: Löst Potentialgleichung reibungsfrei inkompressibel stationär/instationär Eigenentwicklung Algebraisierung: Oberflächenelemente Verteilungsfunktionen Wirbeldichten Quell-/Senkenverteilungen Kontrollpunkte Anzahl der KP = Anzahl der Freiheitsgrade Seite 10

11 Fluidmechanik P4 Strömungsmodell (Halbmodell): Nachlaufmodell (Hufeisenwirbel) Analysedauer: 80 sec Nurflügel Seite 11

12 Fluidmechanik P4 Ergebnisse: Druckverteilungen Auftrieb Induzierter Widerstand Klappenkräfte/Momente Normierte Auftriebsverteilung 7,00E-01 6,00E-01 lokaler Auftrieb [m] 5,00E-01 4,00E-01 3,00E-01 2,00E-01 cn x t 1,00E-01 0,00E Spannweitenposition [m] Seite 12

13 Multiphysics P4 FSI (Fluid-Struktur-Interaktion): Kopplung zweier Codes Nicht konforme Netze Abaqus Seite 13

14 Multiphysics Schema der gekoppelten FSI-Simulation: Strömungssimulation mit P4 u α neu, v neu Flugmechanik A erf, Schwerpunkt A, x A, v, α p FE-Analyse mit Abaqus Seite 14

15 Multiphysics Nichtkonforme Netze Übertragungsfunktion zu Beginn von P4 ermittelt: Voraussetzung: Geometrien weitgehend kongruent Übertragung von Drücken: Abaqus-Knoten in seiner Normalenrichtung auf P4-Netz projiziert Projektion liegt in einem Element Lineare Interpolation der Verschiebungen (Ansatzfunktionen) Übertragung von Verschiebungen P4-Knoten in seiner Normalenrichtung auf Abaqus-Netz projiziert... Seite 15

16 Ergebnisse Konvergenzverhalten A Konvergenzverhalten v-abhängig Auftrieb [N] B V=20m/s V=42m/s Iteration A 10-fach B Seite 16

17 Ergebnisse Wirkungsgrad (Gleitzahl): Alle Klappen in Nullstellung Vergleich starr flexibel Durchbiegung - 46mm Anstellwinkel 7,26 7,55 Geschwindigkeit 20,1m/s 19,7m/2 Gleitzahl (reibungsfrei) 90,3 89,3 Seite 17

18 Flugmechanik Höhenruderwirksamkeit Verstellung näherungsweise ohne Änderung der Geometrie möglich Rotation der Normalvektoren Klappenausschlag x x x x x x X... Kontrollpunkte Seite 18

19 Ergebnisse Höhenruderwirksamkeit / Rudermomente: Ruderwirksamkeit Rudermoment 60 7 Fluggeschwindigkeit [m/2] starr flexibel Rudermoment [Nm] starr flexibel Klappenausschlag [ ] Klappenauschlag [ ] Seite 19

20 Ergebnisse Deformationen, γ=6, v=43.9m/s: Ansicht von Oben Rudermoment Ruderwirksamkeit 7 Beulen, zu geringe Steifigkeit der Beplankung! starr flexibel Rudermoment [Nm] Fluggeschwindigkeit [m/2] Klappenausschlag [ ] N. Friedl starr flexibel Klappenauschlag [ ] ABAQUS Users Meeting, Graz 2009 Seite 20

21 Ergebnisse Deformationen, γ=6, v=43.9m/s: Ansicht von Unten Beulen, zu geringe Steifigkeit der Beplankung! N. Friedl ABAQUS Users Meeting, Graz 2009 Seite 21

22 Zusammenfassung Zusammenfassung Aeroelastische Studie an einem Nurflügel Multiphysics: Struktur über Abaqus (FEM) Strömung über P4 (Panelmethode) FSI Einfaches iteratives Schema Unterstützt nichtkonforme Netze Sehr effiziente Bewertung von Flügelstrukturen möglich! Seite 22

23 Ende des Vortrags Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 23