A new method identifies coupled fluid-structure system with a reduced set of state variables is presented. Assuming that the structural model is known a priori either from an analysis or a test and using linear transformations between structural and aeroelastic states, it is possible to deduce aerodynamic information from sampled time histories of the aeroelastic system. More specifically given a finite set of structural modes the method extracts generalized aerodynamic force matrix corresponding to these mode shapes. Once the aerodynamic forces are known, an aeroelastic reduced-order model can be constructed in discrete-time, state-space format by coupling the structural model and the aerodynamic system. The resulting reduced-order model is suitable for constant Mach, varying density analysis.
The finite element analyses of a composite hingeless rotor blade in forward flight have been performed to investigate the influence of blade design parameters on the blade stability. The blade structure is represented by a single cell composite box-beam and its nonclassical effects such as transverse shear and torsion-related warping are considered. The nonlinear periodic differential equations of motion are obtained by moderate deflection beam theory and finite element method based on Hamilton principle. Aerodynamic forces are calculated using the quasi-steady strip theiry with compressibility and reverse flow effects. The coupling effects between the rotor blade and the fuselage are included in a free flight propulsive trim analysis. Damping values are calculated by using the Floquet transition matrix theory from the linearized equations perturbed at equilibrium position of the blade. The aeroelastic results were compared with an alternative analytic approch, and they showed good correlation with each other. Some parametric investigations for the helicopter design variables, such as pretwist and precone angles are carried out to know the aeroelastic behavior of the rotor.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.11
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pp.864-872
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2002
In this study, the effect of planform curvature on the stability of coupled flow/structure vibration is examined in transonic and supersonic flow regions. The aeroelastic analysis for the frequency and time domain is performed to obtain the flutter solution. The doublet lattice method(DLM) in subsonic flow is used to calculate unsteady aerodynamics in the frequency domain. For all speed range, the time domain nonlinear unsteady transonic small disturbance code has been incorporated into the coupled-time integration aeroelastic analysis (CTIA). Two curved wings with experimental data have been considered in this paper MSC/NASTRAN is used for natural free vibration analyses of wing models. Predicted flutter dynamic pressures and frequencies are compared with experimental data in subsonic and transonic flow regions.
Zafar, Muhammad I.;Fusi, Francesca;Quaranta, Giuseppe
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.4
no.2
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pp.203-218
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2017
This paper focuses on the computational study of nonlinear effects of unsteady aerodynamics for non-classical aileron buzz. It aims at a comprehensive investigation of the aileron buzz phenomenon under varying flow parameters using the describing function technique with multiple inputs. The limit cycle oscillatory behavior of an asymmetrical airfoil is studied initially using a CFD-based numerical model and direct time marching. Sharp increases in limit cycle amplitude for varying Mach numbers and angles of attack are investigated. An aerodynamic describing function is developed in order to estimate the variation of limit cycle amplitude and frequency with Mach number and angle of attack directly, without time marching. The describing function results are compared to the amplitudes and frequencies predicted by the CFD calculations for validation purposes. Furthermore, a limited sensitivity analysis is presented to demonstrate the potential of the approach for aeroelastic design.
Kim, Kyung-Seok;Kim, Jong-Yun;Yoo, Jae-Han;Bae, Jae-Sung;Lee, In
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.4
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pp.295-301
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2007
The aeroelastic characteristics of a wing with control surface freeplay are investigated. The transonic small disturbance equation is used for unsteady aerodynamic forces in subsonic/transonic region. The fictitious mass method is introduced to apply a modal approach to nonlinear structural models. Nonlinear aeroelastic time responses are calculated by the coupled time integration method. Using these methods, an efficient aeroelastic analysis is achieved for aerodynamic and structural nonlinearities simultaneously. The effects of the aerodynamic nonlinearity, initial flap amplitude, and freeplay magnitude in aeroelastic characteristics are investigated in this study.
Cavallaro, Rauno;Iannelli, Andrea;Demasi, Luciano;Razon, Alan M.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.2
no.2
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pp.125-168
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2015
Dynamic aeroelastic behavior of structurally nonlinear Joined Wings is presented. Three configurations, two characterized by a different location of the joint and one presenting a direct connection between the two wings (SensorCraft-like layout) are investigated. The snap-divergence is studied from a dynamic perspective in order to assess the real response of the configuration. The investigations also focus on the flutter occurrence (critical state) and postcritical phenomena. Limit Cycle Oscillations (LCOs) are observed, possibly followed by a loss of periodicity of the solution as speed is further increased. In some cases, it is also possible to ascertain the presence of period doubling (flip-) bifurcations. Differences between flutter (Hopf's bifurcation) speed evaluated with linear and nonlinear analyses are discussed in depth in order to understand if a linear (and thus computationally less intense) representation provides an acceptable estimate of the instability properties. Both frequency- and time-domain approaches are compared. Moreover, aerodynamic solvers based on the potential flow are critically examined. In particular, it is assessed in what measure more sophisticated aerodynamic and interface models impact the aeroelastic predictions. When the use of the tools gives different results, a physical interpretation of the leading mechanism generating the mismatch is provided. In particular, for PrandtlPlane-like configurations the aeroelastic response is very sensitive to the wake's shape. As a consequence, it is suggested that a more sophisticate modeling of the wake positively impacts the reliability of aerodynamic and aeroelastic analysis. For SensorCraft-like configurations some LCOs are characterized by a non-synchronous motion of the inner and outer portion of the lower wing: the wing's tip exhibits a small oscillation during the descending or ascending phase, whereas the mid-span station describes a sinusoidal-like trajectory in the time-domain.
Kim, Jeong-Hwa;Jun, Sang-Ook;Hur, Doe-Young;Lee, Dong-Ho
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.39
no.1
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pp.50-55
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2011
In this study, simultaneous aero-structural design was performed for HALE aircraft wing. The span and the shape of main spar were considered as design variables. To maximize aerodynamic performance and to minimize weight, multi-objective optimization was used. Nonlinear static aeroelastic analysis was performed to compute large deflection of wing. Design of experiment and response surface method were used to reduce computation cost in the design process. Also, aerodynamic performances of deformed wing and rigid wing were compared.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.1
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pp.30-45
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2013
The present work focuses on the unsteady aerodynamics and aeroelastic properties of a small-medium sized wind-turbine blade operating under ideal conditions. A tapered/twisted blade representative of commercial blades used in an experiment setup at the National Renewable Energy Laboratory is considered. The aerodynamic loads are computed using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. For this purpose, FLUENT$^{(R)}$, a commercial finite-volume code that solves the Navier-Stokes and the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, is used. Turbulence effects in the 2D simulations are modeled using the Wilcox k-w model for validation of the CFD approach. For the 3D aerodynamic simulations, in a first approximation, and considering that the intent is to present a methodology and workflow philosophy more than highly accurate turbulent simulations, the unsteady laminar Navier-Stokes equations were used to determine the unsteady loads acting on the blades. Five different blade pitch angles were considered and their aerodynamic performance compared. The structural dynamics of the flexible wind-turbine blade undergoing significant elastic displacements has been described by a nonlinear flap-lag-torsion slender-beam differential model. The aerodynamic quasi-steady forcing terms needed for the aeroelastic governing equations have been predicted through a strip-theory based on a simple 2D model, and the pertinent aerodynamic coefficients and the distribution over the blade span of the induced velocity derived using CFD. The resulting unsteady hub loads are achieved by a first space integration of the aeroelastic equations by applying the Galerkin's approach and by a time integration using a harmonic balance scheme. Comparison among two- and three- dimensional computations for the unsteady aerodynamic load, the flap, lag and torsional deflections, forces and moments are presented in the paper. Results, discussions and pertinent conclusions are outlined.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.6
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pp.503-508
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2007
In this study, the aeroelastic response and stability of bearingless rotors are investigated using a large deflection beam theory. The outboard main blade, flexbeam, and torque tube are all assumed to be an elastic beam undergoing arbitrary large displacements and rotations. The finite element equations of motion obtained from Hamilton's principle. Two-dimensional quasi-steady strip theory is used to evaluate aerodynamic forces. In hover, the modal approach method based on coupled rotating natural modes is used for the stability analysis. In forward flight, the nonlinear periodic blade steady response is obtained by integrating the full finite element equation in time through a coupled trim procedure with a vehicle trim. The results of the full finite element analysis using the large deflection beam theory are compared with those of a previously published modal analysis using the moderate deflection-type beam theory.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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