AFA - DENG - ACEA - Área Científica de Engenharia Aeroespacial
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- Design and optimization of a wing structure for a UAS class I 145 kgPublication . Silva, João; Infante, Virgínia; Duarte, DiogoIn the context of air power in a Global scale, unmanned aerial systems (UAS) are a present and future necessity, reason why, they are part of the Portuguese Air Force (FAP) strategic vision and part of the Portuguese National Strategy for the Sea 2013-2020. Since 2008 the FAP has been developing UAS ever more capable and, nowadays, some of its experimental platforms are already being used operationally, both nationally and internationally. In order to expand their use, in a safe and responsible manner, for search and surveillance missions over the vast area under Portugal’s jurisdiction, there is the necessity to manufacture new platforms capable of fulfilling all the operational and airworthiness requirements and to establish procedures for their eventual mass production. In light of these necessities, the present master’s thesis consists of the design and optimization of the structure of the wing of a new operational platform with a maximum take-off weight of 145 kg (UAS class I). Parallelly to the operational use, this platform will also play the fundamental role of being the test model – at a reduced scale – for a large UAS (class II), currently in development by a consortium between the FAP, national companies and the Portuguese National Ministry of Defense (MDN). The wing design and optimization process, involved determining the loads acting on the structure (definition of the aircraft’s flight envelope and identification of the wing’s critical loading condition), planning the general shape and components layout, choosing materials (composites – manufacturing of specimens and experimental testing to obtain their properties), and then, shaping, sizing and optimizing its many components to give every part just enough strength without excess weight and also to reduce costs. All design decision were fundamented based on regulations (e.g. the NATO STANAG AEP-83), structural design manuals, books and scientific articles, in order to guarantee the certification of the structure in terms of airworthiness. The optimization process used / created – “chain top-down approach” – proved to be simple and effective and consisted in an individual but interconnected optimization, of each component, following a hierarchical sequence, in accordance with the structural importance of each one. All the geometric models produced (3D) and all the structural analysis performed (numerical analysis resorting to the discretization of the structure using finite elements – FEA), were achieved by using the software SolidWorks 2016 x64 Edition. The final wing model obtained, fulfilled every structural requisite (capable of enduring between - 1.5 and 4 G’s with a wing tip displacement < 5% of half-wing span), perational requisite (capable of carrying up to 10 kg of suspended payload from each half-wing), and weight requisite (mass < 26.2 kg), with a manufacturing cost, in terms of materials, close to 3000 €.
- Painéis Sandwich em compósito para redução de vibração e ruído em aeronaves: validação experimentalPublication . Santos, Marta; Araújo, Aurélio; Duarte, Filipa; Almeida, IvoA Força Aérea Portuguesa, através do projeto PERSEUS, tem vindo a desenvolver várias plataformas não tripuladas com o propósito de as integrar num sistema europeu de vigilância marítima. No desenvolvimento do seu recente UAV, surgiu a necessidade de criar dois painéis em compósito para proteger os sistemas aviónicos da aeronave das vibrações e do ruído provocados pelo motor. Pretende-se com a presente tese perceber qual ou quais as melhores configurações internas para os dois painéis de compósito, em sandwich, utilizando apenas os materiais existentes na CIDIFA. A escolha de utilizar estruturas em sandwich teve o propósito de caracterizar experimentalmente o seu comportamento dinâmico, e compreender de que maneira a introdução de um núcleo (neste caso de espuma) melhora a capacidade de absorção de vibração e ruído de uma estrutura. Com vista a esse fim, foram fabricadas placas sandwich em compósito com diferentes composições e diferentes materiais, nomeadamente fibra de vidro de carbono. Adicionamente, foram também fabricadas placas com núcleos duplos de espuma (com fibra no interior) para serem comparadas com as placas sandwich tradicionais de um único núcleo. Os ensaios experimentais foram divididos em duas partes: vibrações e ruído. Os ensaios de vibrações, que decorreram no IST, tiveram o objetivo de recolher as funções de resposta de cada um dos provetas, para que a sua respetiva análise permitisse calcular os coeficientes de amortecimento de cada frequência natural (em cada placa), tendo sido empregues, para o efeito, dois métodos de processamento diferentes. Os ensaios de ruído, realizados na FEUP, possibilitaram quantificar, de forma bastante simples, a quantidade de ruído que é absorvida por cada placa. Do estudo dos resultados obtidos, em ambos os ensaios experimentais, foi possível apresentar diferentes soluções para os dois problemas propostos na dissertação, simulando diferentes cenários e limitações possíveis de serem exigidas pela FAP.