Development of a linear time periodic aerodynamic tool for aeroelastic analysis of rotors

The purpose of the following work is to develop a steady/quasi-unsteady linear aerodynamic model to be coupled with the rotor structural models obtained in NASTRAN, in order to reconstruct the aeroelastic model of the rotor and afterwards study its stability properties in different flight conditions. The linear aerodynamic model is based on the Blade Element/Momentum Theory and the equations of motion are obtained by means of a Newtonian approach. The rotor aerodynamic model is linearized about a reference trim condition provided by FLIGHTLAB and then coupled with the rotor structural model in order to obtain aeroelastic, linear time periodic, rotor models. From the structural point of view, the blade model is described through beam elements due to its slender nature and the aeroelastic formulation relies on the steady/quasi-unsteady, perturbed aerodynamics with the consequent application of the multiblade coordinates to generate the rotor model. The following aeroelastic tool, called LART (Linearized Aeroelastic Rotor Tool), has been developed in MATLAB and it is capable to compute the constant and periodic matrices which describe the rotor behaviour for axial and non-axial flight conditions. The eigen-analysis is then evaluated for linear time invariant systems by means of a constant coefficient approximation or it can be extended also to linear time periodic systems by applying the Floquet theory. The efficiency and validity of the following aeroelastic tool has been firstly applied on the Puma IAR 330 model and the results have been compared with CAMRAD/JA. Finally, LART has been employed on the SH09 rotor of Kopter Group AG and some sensitivity analyses have been performed.

L'obiettivo del lavoro è quello di svilluppare un modello lineare di aerodinamica stazionaria/quasi-instazionaria da accoppiare con i modelli strutturali del rotore ottenuti in NASTRAN, al fine di ricostruire il modello aeroelastico del rotore e studiare di conseguenza la stabilità aeroelastica in diverse condizioni di volo. Il modello lineare di aerodinamica è basato sulla teoria dell'elemento di pala e le equazioni di moto sono ottenute con un approccio newtoniano. Il modello aerodinamico è linearizzato a partire da una condizione di trim fornita da FLIGHTLAB e accoppiato successivamente con il modello strutturale del rotore al fine di ottenere i modelli lineari aeroelastici tempo-periodici del rotore isolato. Da un punto di vista strutturale, il modello di pala è descritto attraverso l'elemento di trave e la formulazione aeroelastica è modellata a partire dalla perturbazione delle forze aerodinamiche con la conseguente applicazione delle coordinate multi-pala per generare il modello di rotore completo. Il codice aeroelastico, chiamato LART (Linearized Aeroelastic Rotor Tool), è stato sviluppato su MATLAB e permette di estrarre le matrici tempo-invarianti e tempo-periodiche che descrivono il comportamento aeroelastico del rotore in condizioni di volo assial-simmetrico e volo avanzato. L'analisi di stabilità è studiata per sistemi lineari tempo-invarianti attraverso l'approssimazione a coefficienti costanti e per sistemi lineari tempo-periodici attraverso l'applicazione della teoria di Floquet. Il modello aeroelastico sviluppato è stato prima applicato sul rotore del Puma IAR 330 e i risultati sono stati confrontati con i modelli CAMRAD/JA. Successivamente, LART è stato impiegato per effettuare analisi aeroelastiche sul rotore del SH09 di Kopter Group AG.