Erweiterte Prozesskette zur Erstellung integraler Modelle und Aeroelastikregelung flexibler Transportflugzeuge im transsonischen Machzahlbereich

Abstract

Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Erweiterung der integralen Modellbildung flexibler Großraumflugzeuge auf den transsonischen Machzahlbereich sowie der Entwurf integraler Regler für die Längs- und Seitenbewegung. Ziel ist es, das dynamische Verhalten des Flugzeugs schon möglichst früh im Entwicklungsprozess auf Basis numerischer Modelle und Simulationen vollständig beschreiben zu können. Diese Untersuchungen begründen sich aus der Notwendigkeit der Flugzeughersteller, zum einen ihre Entwicklungskosten immer weiter zu optimieren und zum anderen Flugzeuge mit immer größerem Nutzlast-Struktur-Verhältnis, besserer aerodynamischer Güte und höheren operativen Reisefluggeschwindigkeiten auf den Markt zu bringen. Aufgrund der eingesetzten Leichtbauweise und fortschreitenden Strukturoptimierung verschieben sich die Frequenzen der elastischen Strukturschwingungen immer weiter in den Bereich der flugmechanischen Starrkörperfrequenzen. Für Analysen jeglicher Art ist daher die Verwendung integraler Modelle notwendig, die auch die Kopplung zwischen Flugmechanik und Aeroelastik erfassen können. Hierzu müssen die rein aeroelastischen Bewegungsgleichungen um entsprechende Terme aus der Flugmechanik erweitert werden. Im ersten Teil der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der aeroelastischen Modellbildung ausführlich dargestellt. Dies beinhaltet die Repräsentation der Strukturdynamik mittels Finiter-Element-Modelle und anschließende Freiheitsgradreduktion durch eine Transformation in den Modalraum. Im Bereich der Aerodynamik wird insbesondere auf die verwendeten Methoden zur Berechnung der stationären und instationären Luftkräfte im transsonischen Machzahlbereich eingegangen. Die Ermittlung der aeroelastischen Gleichgewichtskonfiguration wird mittels schwach gekoppelter CSD-CFD-Verfahren realisiert. Zusammen mit dem Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart wird hierzu eine iterative Prozesskette entwickelt. Diese verwendet zum einen die strukturdynamischen Gleichungen in Matrixform und zum anderen ein CFD-Verfahren zur Lösung der Reynolds gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen. Die Implementierung der Prozesskette erfolgt durch das IAG. Die instationären aerodynamischen Luftkräfte werden mittels einer am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Göttingen implementierten Transsonischen Doublet-Lattice-Methode berechnet. Zur Übernahme der entsprechenden Ergebnisse wird ein spezieller Algorithmus entwickelt. Die Modellbildung beinhaltet ebenfalls die Herleitung von Störgeschwindigkeiten infolge von Böen und Turbulenzen sowie die Generierung der zugehörigen Luftkräfte. Der Einsatz von diskreten Frequenzbereichsverfahren zur Abbildung der instationären Aerodynamik macht eine Approximation mittels rationaler Funktionen notwendig, um die Transformation in den Zeitbereich zu ermöglichen. Anschließend werden alle Methoden in einer Prozesskette zur integralen Modellbildung zusammengefasst. Diese beinhalten dann auch die flugmechanischen Erweiterungen der aeroelastischen Bewegungsgleichungen. Im zweiten Teil werden mit Hilfe der generierten Modelle integrale Regler entworfen. Diese haben die Aufgabe, neben der Optimierung flugmechanischer Steuerbarkeitsanforderungen, vorgegebene aeroelastische Komfortkriterien in Form einer Reduktion der Strukturschwingungen zu gewährleisten. In numerischen Simulationen werden verschiedene Entwürfe miteinander verglichen und ausführlich analysiert. Infolge des Konflikts zwischen Steuerbarkeits- und Komfortanforderungen können hierbei auch die Grenzen der Regelung mittels konventioneller Steuerflächen aufgezeigt werden.

The subject of the present thesis is the enhancement of integrated model building of a large highly flexible aircraft to transonic flow conditions and the design of integrated control and augmentation systems. The objective is to describe the complete dynamic aircraft behavior as early as possible in the design process by means of numerical models and simulations. This research is founded by both the need for reduction of aircraft industry development costs on the one hand and continuous optimization of aircraft on the other hand. The atter yields a higher payload structure ratio, better aerodynamic quality, and higher operating mach numbers in cruise flight, and last but not least in conjunction with the application of lightweight construction a shift of structure vibration frequencies close to the rigid body motion frequency domain. For researches of any kind it is necessary to use integrated models, which also consider the coupling between flight mechanic motion and aeroelasticity. Therefore, the aeroelastic equations of motion have to be extended by terms of flightmechanical models. In the first part of the thesis, the theoretical fundamentals of aeroelastic modelling are described. This contains the representation of structural dynamics by means of Finite-Elemente approximations followed by modal transformation yielding a reduction of degrees of freedom. The aerodynamic part dwells on the methods for deriving both steady and unsteady aerodynamic loads in transonic flow conditions. The determination of the aeroelastic equilibrium is accomplished by means of weakly coupled CSD-CFD methods. Together with the Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG), University of Stuttgart, an iterative process chain is designed, using the structural dynamics equations in matrix formulation on the one hand and a CFD program based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations on the other hand. The implementation of the process chain is done by the IAG. The unsteady aerodynamic loads are based on the Transonic Doublet-Lattice Method program, developed at the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Göttingen. For this purpose, an incorporation algorithm is developed. Also the derivation of gust and turbulence velocities and resulting aerodynamic forces is explained. As unsteady aerodynamic forces are calculated by means of discrete frequency domain procedures a rational function approximation is necessary to enable the transformation into first order time domain state space equations. Then all methods represented by corresponding programs are combined in a process chain for integrated model building, which also contains the flight mechanical extensions of the equations of motion. The relationship between physical and generalized coordinates is used to define the equations of system outputs. The integrated model unifies the flight mechanics rigid body and the flexible modes respectively. Hence, an investigation of cross couplingbetween the modes is feasible. In the second part based on the derived models integral stability and control augmentation systems for both longitudinal and lateral motion are developed. The objective is to optimize rigid body handling quality requirements with simultaneous consideration of aeroelastic comfort criterions represented by reduction requirements for structure vibrations. By means of numeric simulations the different controller designs are compared to each other and analysed in detail. Due to the conflicting targets of maneuverability and aeroelastic comfort requirements the limits of aircraft control by means of conventional control surfaces are pointed out.