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Autor(en): Teufel, Patrick
Titel: Böenmodellierung und Lastabminderung für ein flexibles Flugzeug
Sonstige Titel: Gust modeling and load alleviation for a flexible aircraft
Erscheinungsdatum: 2003
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-14005
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3688
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3671
Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung von 2D Böen und deren Auswirkung auf die Aeroelastik und Flugmechanik. Weiterhin werden Möglichkeiten gesucht, mit einem Aeroelastikregler die Strukturbelastung zu senken und den Flugkomfort zu verbessern. Diese Untersuchungen stehen in engem Zusammenhang mit der aktuellen Entwicklung von sehr großen Transportflugzeugen. Es wird erwartet, daß bei diesen Flugzeugen die Frequenz der Strukturschwingungen in der Nähe der Frequenz der Starrkörperformen liegt. Für alle Untersuchungen ist daher die Verwendung eines integralen Modells erforderlich, das die Kopplung zwischen Flugmechanik und Aeroelastik berücksichtigt. Auf Grund der Größe des Flugzeuges wird außerdem erwartet, daß die Annahme einer konstanten Böengeschwindigkeit über den Flügel nicht mehr zutrifft und eine Analyse der Auswirkung von 2D Böen notwendig ist. Im ersten Teil der Arbeit werden die linearen Bewegungsgleichungen für ein Vollmodell eines großen Transportflugzeuges aufgestellt, das eine hohe Anzahl von elastischen Eigenformen mit niedriger Frequenz besitzt. Die Verwendung eines Vollmodells ermöglicht es, sowohl symmetrische als auch unsymmetrische Belastungen des Flugzeuges zu untersuchen. Das Flugzeugmodell wird mit einem 2D Böenmodell gekoppelt und eine zweidimensionale Spektralanalyse durchgeführt. Diese Untersuchungen basieren auf einem Frequenzbereichsmodell mit tabellierten Luftkräften, die mit der Doublet Lattice Methode berechnet werden. Um auch die Möglichkeit zu eröffnen, Zeitsimulationen durchführen zu können, müssen neben dem Flugzeugmodell auch die Störungen in den Zeitbereich transformiert werden. Für das Flugzeugmodell sind entsprechende Verfahren bekannt. Das 2D Turbulenzspektrum und die entsprechenden Turbulenzluftkräfte müssen jedoch so diskretisiert werden, daß auch hier eine Transformation in den Zeitbereich möglich ist. Diese Modelle liefern als Ausgangsgrößen Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an unterschiedlichen Punkten auf dem Flugzeug, aber keine Spannungswerte in einzelnen Elementen. Die Frequenzbereichsmodelle und Zeitbereichsmodelle werden deshalb mit Spannungsgrößen erweitert. Die Spektralanalyse liefert das Ausgangsspektrum in einer physikalischen Größe, der Entwurfsfall für die Spannungsberechnung besteht aber aus mindestens zwei physikalischen Größen. Die Verwendung einer zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung ist eine Möglichkeit, das Problem zu lösen. Es zeigt sich, daß die für das Spektrum gewählte Diskretisierung auch zur Berechnung der zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung von zwei Ausgangsgrößen verwendet werden kann. Eine Analyse des Flugzeuges auf 1D und 2D Böen macht deutlich, daß sich je nach betrachteter Ausgangsgröße kein oder auch ein erheblicher Unterschied zwischen den Böenmodellen ergibt. Es sollte daher die genauere 2D Böenmodellierung verwendet werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein statischer Aeroelastikregler mit einem Multi-Modell Ansatz entworfen. Dieser wird mit einem klassischen Flugregler gekoppelt und zusätzlich wird eine Störgrößenaufschaltung der Böe durchgeführt. Anschließend werden die mit dem ungeregelten Flugzeug durchgeführten Analysen wiederholt und die Leistungsfähigkeit des Regelungssystems aufgezeigt.
In this thesis the modelling of 2D gusts and their effect on aeroelasticity and flight mechanic motion are discussed. Furthermore possibilities are investigated to decrease structural loads and improve ride comfort. This research is closely related to the current development of very large aircraft. It is expected that for these aircraft structural frequencies are very close to the frequency of the rigid body motion, therefore it is necessary to use an integrated model which considers the coupling between flight mechanic motion and aeroelasticity. It is also expected that it is not possible to assume a constant gust velocity over the span of these aircraft and that it is necessary to analyze the impact of 2D gusts. In the first part of the thesis the linear equations of motion for a full span aircraft model, which has a large number of elastic modes, are derived. The usage of a full span model allows for the analysis of symmetric and asymmetric loads. This model will be coupled with a 2D gust model and a 2D spectral analysis is pursued. The calculations are based on tabulated aerodynamic forces which are determined with the Doublet Lattice method. The next step is the development of a simulation model, for this step it is necessary to transform the model of the aircraft and the disturbance to the time domain. There are several well known methods to do this for the aircraft model. The 2D spectra of the turbulence and the corresponding aerodynamic forces, however, have to be discretized in such a way that a transformation to the time domain is possible. The outputs of these models are displacements, velocities and accelerations at different locations on the aircraft, but no stress values in the elements can be determined. Therefore the frequency domain models and time domain models are expanded with stress measurements. The spectral analysis delivers the output spectrum of a single physical variable, but the design condition for stress consists of at least two physical variables. The usage of a two-dimensional probability distribution is one possibility to solve the problem. It is shown that the discretization of the spectrum can also be applied to compute the two-dimensional probability distribution of the output. The analysis of the aircraft with respect to 1D and 2D gusts shows that there is no or a significant difference between the gust models dependent on the output. Therefore it is recommended to use a 2D gust model. In the second part of the thesis a static aeroelastic controller is developed with a multiple model approach. This controller is coupled with a classical flight controller. Additionally a feedfoward control of the gust is implemented. Finally an analysis similar to the uncontrolled aircraft is carried out and the performance of the controller is shown.
Enthalten in den Sammlungen:06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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