Modos de vibração e frequências naturais para um veículo aeroespacial pelo método dos elementos finitos

Abstract

Resumo: Durante a etapa de projeto aeroespacial, a análise estrutural é essencial para se determinar o comportamento que a estrutura do veículo poderá sofrer, como por exemplo, falhas estruturais decorrentes do acoplamento de frequências com cargas de voo. Para a continuidade desses estudos, é de fundamental importância, primeiramente, uma análise dinâmica modal da estrutura. Este trabalho tem por objetivo se determinar os modos de vibração e frequencias naturais de um veículo aeroespacial através de uma análise dinâmica modal utilizando o método dos elementos finitos (MEF). Este método consiste na discretização de um meio contínuo em pequenos elementos, para que sejam obtidos os resultados desejados através da minimização da energia potencial total de um sistema genérico. Atualmente o MEF, devido a sua grande aplicabilidade e eficiência, pode ser utilizado em diversas áreas das ciências exatas quando se deseja analisar tensões e deslocamentos em análises estáticas ou dinâmicas. Seu contínuo uso em pesquisas e indústrias permite trazer resultados confiáveis do comportamento da estrutura hoje disponíveis em softwares comerciais. A dissertação aqui apresentada visa solucionar, por meio do software comercial NX Nastran, o cálculo da análise modal de um veículo aeroespacial, assim como, a determinação do tipo de elemento a ser utilizado no modelamento e por fim, apresentar a automatização do cálculo através do desenvolvimento de uma macro e sugerir propostas de melhorias nesse tipo de análise modal.

Abstract: During the aerospace design step, structural analysis is essential to determine the behavior that the vehicle structure may suffer, for example, structural failures due to coupling of frequencies with flight loads. For the continuity of these studies, it is of fundamental importance, primarily, a dynamic modal analysis of the structure. This work aims to determine the vibration modes and natural frequencies of an aerospace vehicle through a modal dynamic analysis using the finite element method (FEM). This method consists on discretization of a continuous resource into small elements, so that the desired results are obtained by minimizing the total potential energy of a generic system. Actually the FEM, because of its great applicability and efficiency, can be used in several areas of the exact sciences when it is desired to analyze stress and displacements in both static or dynamic analyzes. Their continued use in research and industry allows them to bring reliable results of the structure behavior, nowadays available by commercials softwares. The dissertation presented here aims at solving, through NX Nastran commercial software, the calculation of an aeroespace vehicle modal analysis, as well as the determination of element type to be used in the modeling and, finally, presents the calculus automation through macro development and suggest proposals for improvements in this kind of modal analysis.