Desarrollo de simulaciones numericas para estudiar la dinamica de un concepto de X-Hale-UAV : UN enfoque basado en sistemas multicuerpo

Abstract

Una de las áreas más activas de investigación multidisciplinaria es el estudio de vehículosaéreos no tripulados (UAVs) extremadamente flexibles (X). Estos conceptos futuristasson una alternativa viable para reemplazar a los actuales satélites de comunicación. Laflexibilidad estructural de la aeronave desplazándose en un fluido, conducen a un sistemaaltamente no lineal caracterizado por un fuerte acoplamiento entre el flujo no estacionariotridimensional y la estructura del X-HALE-UAVs En este trabajo de tesis se presenta el desarrollo de una plataforma de simulaciónnumérica que tiene como objetivo estudiar y caracterizar el comportamiento dinámico deun concepto simplificado de un X-HALE-UAV. La aeronave se modela como unacolección de cuerpos rígidos conectados entre sí por articulaciones flexibles. Lasecuaciones que gobiernan la dinámica del UAV se derivan mediante un enfoqueenergético basado en las ecuaciones de Lagrange para sistemas con restricciones. Lasecuaciones de movimiento obtenidas mediante este enfoque son del tipo diferenciales-algebraicas, conocidas por sus siglas en inglés como DAE (Differential-AlgebraicEquations), cuyo índice es 3. Debido a la naturaleza altamente no lineal de las ecuacionesde movimiento, la solución del sistema de DAEs se realiza en forma numérica, simultáneae interactiva en el dominio del tiempo mediante diferentes esquemas de integración Con el objetivo de evaluar la confiabilidad de la herramienta de simulación desarrolladase la sometió a un proceso de verificación, que consiste principalmente en: i) reproducirsoluciones de problemas bien documentados en la literatura; y ii) realizar comparacionesnuméricas con resultados obtenidos con otros programas de computadoras, ampliamenteutilizados en mecánica computacional, tales como SIMPACT Entre los resultados más relevantes de este trabajo de tesis se puede mencionar que laformulación desarrollada y su implementación computacional son aptos para estudiar,con gran detalle, la respuesta dinámica no lineal de sistemas aeronáuticos del tipo X-HALE-UAVs caracterizados por grandes deflexiones alares. Adicionalmente, se llevarona cabo simulaciones numéricas incorporando: i) efectos de ráfagas, detectándose unaumento de amplitud en la oscilación, respecto a la respuesta sin ráfaga; y ii) dañoestructural en las conexiones alares, lo cual se refleja, principalmente, en la generaciónde rotaciones laterales en el fuselaje. Si bien, no existen modelos reales para validar laherramienta computacional, los resultados encontrados permiten concluir que laplataforma de simulación numérica desarrollada constituye una excelente alternativa paraestudiar la dinámica de aeronaves extremadamente flexibles tipo HALE-UAV Los datos resultantes en este trabajo se utilizarán como punto de partida para laelaboración de modelos dinámicos más complejos basados en un enfoque multicuerpoflexible y que permitan: i) ser integrados a una plataforma de co-simulación aeroelástica;y ii) estudiar la interacción fluido-estructura de aviones muy flexibles, bajo diferentesconfiguraciones de vuelo, e inmersos en flujos subsonicos.