L. da Rocha-Schmidt, A. Hermanutz, N. Hofheinz, H. Baier

Formvariable Steuerflächen ("morphing control surfaces") sind bis heute nur in sehr wenigen Flugzeugen verbaut, obwohl sie in der Forschung seit Jahrzenten intensiv untersucht werden. Um insbesondere bestehenden Unsicherheiten bezüglich transienter aeroelastischer Effekte (Buffeting, Flattern) bei solchen flexiblen Komponenten entgegenzuwirken, werden Simulationen der Interaktion nachgiebiger Klappenstrukturen mit der umgebenden Luft durchgeführt. Die Untersuchungen beziehen sich mit geometrisch nichtlinearen FEM-Simulationen einerseits auf den strukturellen Aspekt verschiedener Konzepte (Spannungen, Dehnungen, Aktorlasten), andererseits als Randbedingung auch auf die Aerodynamik mittels zweidimensionaler CFD-Analysen. Eine komplett formvariable Steuerfläche wird am Profil des SAGITTA Demonstrators simuliert. Aufgrund des hohen Anteils elastischer Verformung sind hier die zusätzlichen Aktorkräfte relativ hoch. Als Grundlage für membranbespannte konventionelle Mechanismen mit einem geringeren Anteil elastischer Verformung werden transiente Fluid-Struktur-Interaktions-Simulationen einer vorgespannten und überströmten Membran durchgeführt. Dies ist zwar sehr rechenaufwendig, liefert aber Informationen über den transienten Belastungsverlauf in der Membran im Flatterfall. Ist es möglich, diese Belastungen in begrenztem Umfang zu akzeptieren, erweitern sich die Möglichkeiten im Entwurf solcher Steuerflächen deutlich.

Morphing control surfaces are still only installed in very few aircraft, despite decades of intensive research. To counteract existing uncertainties, particularly regarding transient aeroelastic effects (buffering, flutter) in such flexible components, simulations of the interaction between compliant flap structures and the surrounding air are performed. These investigations, using geometrically nonlinear finite element method (FEM) simulations, address both the structural aspects of various concepts (stresses, strains, actuator loads) and, as a boundary condition, the aerodynamics through two-dimensional computational fluid dynamics (CFD) analyses. A fully morphing control surface is simulated on the airfoil of the SAGITTA demonstrator. Due to the high proportion of elastic deformation, the additional actuator forces are relatively high. As a basis for membrane-covered conventional mechanisms with a lower proportion of elastic deformation, transient fluid-structure interaction simulations of a prestressed and flow-over membrane are performed. While this is computationally very intensive, it provides information about the transient stress profile in the membrane during flutter. If it is possible to accept these stresses to a limited extent, the design possibilities for such control surfaces expand considerably.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2012, Berlin

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2013

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 6 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201301282204

Aeroelastik, Formvariable Klappen

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25.01.2013