Análise estrutural do conjunto asa-fuselagem de uma aeronave de aerodesign

Abstract

A análise estrutural de uma aeronave é parte essencial do projeto, pois além de garantir segurança, a torna mais leve, eficiente e, consequentemente, econômica. A competição de aerodesign da Society of Automotive Engineers (SAE) Brasil, desafia estudantes de engenharia a projetar novas aeronaves anualmente, incentivando a disseminação de conhecimento, principalmente entre os participantes do meio acadêmico. Nesta competição, a parte estrutural se destaca, já que um dos principais objetivos é projetar uma aeronave capaz de carregar o máximo de carga pesando o mínimo possível. Neste trabalho desenvolve-se uma análise estrutural em dois dos principais componentes de uma aeronave participante da competição da SAE: a asa e a fuselagem. O projeto visa identificar os principais carregamentos e esforços aos quais estes componentes são expostos durante o voo e como estes afetam o seu dimensionamento, além de revisar e validar o dimensionamento destas estruturas utilizando um método computacional confiável. Desta forma, a metodologia proposta apresenta uma sequência de cálculos a serem realizados durante o projeto estrutural destes componentes e inclui também uma análise estrutural estática utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) para verificar o comportamento das estruturas quando expostas aos carregamentos de voo. A análise numérica é amplamente utilizada na área de estruturas e nos permite verificar quais os pontos críticos dessas estruturas, para com isso, apontar possíveis melhorias. A partir dos resultados obtidos, constatou-se que as estruturas do conjunto asa-fuselagem são seguras e possuem elevadas margens de segurança associadas, o que torna o projeto muito conservador. Uma estrutura mais otimizada conseguiria reduzir o peso da aeronave em análise e ainda manter uma boa margem de segurança.

Structural analysis is an essential part of an aircraft design, once it guaranties a light and safe structure and, consequently, an economical one as well. The Society of Automotive Engineers (SAE) branch in Brazil annually challenges engineering students to participate in a competition in which they are challenged to develop a cargo aircraft light and able to transport maximum weight cargo possible. In this context, the present thesis proposes a structural analysis of two of the main components of the 2019 aircraft participant: wing and fuselage. In order to do so, a study on the efficiency of the project structure was carried out, pointing out the main loads and efforts in which the aircraft is exposed during the most critical phase of the flight and how its components work. The present methodology shows a review of the main calculus performed during the structural project of these components and it includes a static structural analysis with Finite Elements Method (FEM) within ANSYS software. The numeric analysis is widely used in the structure field and it allows verifying which are the critical points of these structures and, therefore, suggests possible improvements. As a result, it was found that both structures are safe and have high associated safety factors, which makes the project very conservative. A more optimized structure would be able to reduce weight and still maintain a good safety factor.