Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen, integralen Berechnungsmodells des frei fliegenden, elastischen Flugzeugs und dessen beispielhafte Anwendung auf die Bestimmung von Strukturlasten, die auf ein großes Transportflugzeug wahrend des Durchfliegens einer Wirbelschleppe einwirken. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der aerodynamischen und aeroelastischen Modellierung, wobei speziell die aus der industriellen Praxis motivierten Anforderungen nach einfacher Modellgenenerung, Berücksichtigung vorliegender Modellelemente und einem ausgewogenen Verhältnis von numerischer Leistungsfähigkeit zu physikalischer Genauigkeit berücksichtigt werden. Das zweiteilige aerodynamische Modell umfasst eine datenbankbasierte Komponente zur Beschreibung der verteilten, nichtlinearen, stationären Luftkräfte am quasi-flexiblen Flugzeug sowie ein instationäres, auf inkompressibler Potentialtheorie im Zeitbereich basierendes Wirbelringverfahren Die das numerische Aerodynamikverfahren beschreibenden Gleichungen werden für Tragflachen und Verdrängungskörper hergeleitet und daraus die lineansierte Formulierung in Zustandsform bestimmt. Davon ausgehend werden die Spezialfalle für quasi-stationäre Strömungszustände und harmonisch schwingende Bewegung abgeleitet. Zur Genauigkeitsverbesserung wird eine Methodik zur Korrektur mit stationären Referenzdaten vorgestellt und ein Ordnungsreduktionsverfahren basierend auf Balanced Realization für einzelne Nachlaufstreifen eingeführt. Schließlich wird eine inkrementelle Formulierung des Verfahrens abgeleitet und in die für rationale Funktionsapproximation von Luftkräften übliche Notation gebracht. Es folgt die Darstellung des Struktur- und Massenmodells sowie der nicht linearen Bewegungsgleichungen des flexiblen Flugzeugs. Ergänzt wird dies um die Bestimmungsgleichung für Strukturlasten sowie die Beschreibung von Möglichkeiten, linearisierte Formen der Bewegungsgleichungen zu erhalten. Zur aeroelastischen Ankopplung des aerodynamischen Modells an das kondensierte Strukturmodell wird ein Kopplungsverfahren mit finiten Interpolationsbalkenelementen und orthogonal projizierten starren Hebelarmen hergeleitet. Das Verfahren transportiert Verformungen und Kräfte aller sechs Freiheitsgrade bei Erhaltung der virtuellen Arbeit und erlaubt das weitgehend automatisierte Verknüpfen der Teilmodelle. Anhand des Durchfliegens einer Wirbelschleppe wird die Anwendung des Gesamtmodells auf die Berechnung von Strukturlasten eines großen Verkehrsflugzeugs demonstriert. Es wird gezeigt, in welcher Weise die Relativposition von Flugbahn und Wirbelschleppe die Lasten an den einzelnen Flugzeugstrukturkomponenten beeinflusst. Durch Vergleich verschiedener Modellierungsansatze wird die Relevanz der kombinierten Betrachtung von Flugmechanik, Strukturdynamik und instationärer Aerodynamik zur Lastenberechnung herausgearbeitet. Der Beitrag dieser Arbeit liegt in der umfassenden Darstellung eines für niedrige Mach zahlen gültigen integralen Flugzeugmodells für flugphysikalische Anwendungen im Zeit- und im Frequenzbereich, welches industriellen Anforderungen gerecht wird und entgegen üblicher Vorgehensweise direkt im Zeitbereich aufgestellt wird.

    The main objective of this thesis is the development of a novel approach to the integral modelling of flexible aircraft. As an exemplary application, the model is to be applied to the flight loads analysis of a large transport category aircraft encountering a wake vortex. The focus is on the aerodynamic and aeroelastic model, which should satisfy several requirements from industrial practice: straight-forward model generation, consideration of existing model components and a trade-off between computational efficiency and physical accuracy. The aerodynamic model consists of two parts, a database describing the distributed, non-linear steady aerodynamic load on the quasi-flexible aircraft and an unsteady, in compressible, potential-based vortex ring method formulated in the time domain. The governing equations of the numerical method are derived for lifting surfaces and nonlifting bodies, followed by the linearised formulation in state space form and special cases for quasi-steady and harmonic motion. To improve the accuracy of the unsteady vortex lattice method, a correction method using steady reference data is proposed. Additionally, an order reduction based on balanced realization of wake sub-models is outlined. Finally, an incremental formulation of the numerical method is derived and cast into the typical notation used for rational function approximation (RFA), thereby allowing the direct use in existing aeroelastic analysis tools. It follows the description of the structure and mass models and the non-linear equations of motion of the flexible aircraft. This is supplemented by the equations of structural loads and a presentation of options to obtain linearized equations of motion. To interconnect the aerodynamic and reduced-order structural models, a coupling method based on beam interpolation elements and orthogonal rigid lever arms is derived. The method is able to map forces and displacement on all 6 degrees of freedom, conserves virtual work and can be set up in a highly automatized way. The application of the aircraft model is demonstrated for the flight load analysis of a large transport aircraft encountering a wake vortex. The influence of the relative wake vortex position on component structural loads is analysed. By comparison of different modelling approaches, the importance of combining flight dynamics, structural dynamics and unsteady aerodynamics for flight loads considerations is worked out. The major contribution of this thesis is the comprehensive presentation of a low-speed integral model of the flexible aircraft, useful for flight physical analysis in the time and frequency domain. The model satisfies industrial process requirements and contrary to customary approaches is directly established in the time domain.


    Access

    Access via TIB

    Check availability in my library

    Order at Subito €


    Export, share and cite



    Title :

    Flexible aircraft modelling for flight loads analysis of wake vortex encounters


    Additional title:

    Die Modellierung des flexiblen Flugzeugs für die Fluglastenanalyse von Wirbelschleppeneinflügen


    Contributors:


    Publication date :

    2011


    Size :

    190 Seiten, 95 Bilder, 32 Tabellen, 141 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English