Structural approach to LCO simulations of external store of aircraft

A structural approach to simulate LCO (Limit Cycle Oscillations: an aeroelastic behavior that can be present in transonic flight with presence of external store, characterized by periodic and sustained motion) of external store of aircraft has been developed. A deep survey on the phenomenology and on commercial tools capabilities has been performed to highlight the problem and the possible analysis tools. Data from experimental tests on a representative military aircraft show that one of the main sources of nonlinearity is friction concentrated in the connection between store and pylon: hook system and sway braces. Hence many numerical simulations in Abaqus, firstly performed on a simple cantilever beam (made by multiple layers), haven been carried out to point out the effect of friction with the aim to reproduce the phenomenon observed during tests. The investigation was accompanied by an experimental campaign at the tribometer to determine the correct coefficient of friction. The results have showed a close phenomenological correspondence between models and experimental relieves. The typical characteristic attributable to LCO in both numerical models and experimental tests is the clear hysteresis in the force-displacement plot. From these analyses different conceptual design of a more complex device (pylon and sway braces) for wind tunnel model have been examined and finally validated. An alternative way to linearize a nonlinear model, in order to analyze it with the available linear tools, has been studied. Linear structural matrices have been generated in Abaqus to be used for the transformation in a state space model which has been reproduced in Simulink. A couple of methods for adding friction to the developed block model are presented: treating friction as an additional damping effect of the system or as an adding forcing term are the two ways suggested.

È stato sviluppato un approccio strutturale per simulare l’LCO (Oscillazioni a Ciclo Limite, un fenomeno aeroelastico che può essere presente in velivoli con carico pagante esterno a velocità transoniche, caratterizzato da moto periodico e sostenuto) di carichi paganti esterni su velivoli. E’ stata svolta una ricerca molto approfondita sulla fenomenologia e sulle potenzialità dei codici disponibili in commercio utili all’analisi del fenomeno. Da risultati sperimentali su velivoli militari, si è visto che la principale fonte di non linearità è l’attrito concentrato nell’attacco tra il carico e il pilone: sistema d’aggancio e sway brace. Sono state quindi svolte diverse simulazioni numeriche in Abaqus su una trave incastrata (formata da più lamine), per evidenziare l’effetto dell’attrito con lo scopo di riprodurre la fenomenologia evidenziata negli esperimenti. L’attività numerica è stata accompagnata da diverse prove sperimentali al tribometro per determinare il coefficiente d’attrito corretto da utilizzare nelle analisi FEM. I risultati hanno mostrato una forte corrispondenza fenomenologica tra i modelli e i rilievi sperimentali. La caratteristica tipica delle curve forza-spostamento attribuibile al LCO è la chiara isteresi presente sia nelle curve sperimentali che in quelle numeriche. Da queste analisi si sono poi esaminati differenti progetti concettuali di un sistema più complesso (pilone e sway brace) da utilizzare in seguito per prove in galleria del vento; tali modelli sono stati poi validati. Un modo alternativo col quale affrontare la linearizzazione di un modello non lineare, per una successiva analisi con gli strumenti lineari disponibili, è qui proposto. Dalle matrici strutturali linearizzate, generate da Abaqus, si è passati ad un modello nello spazio degli, quindi riprodotto in Simulink. Un paio di metodi con i quali aggiungere l’attrito allo schema a blocchi sviluppato sono presentati: trattare l’attrito come un effetto smorzante addizionale del sistema o interpretarlo come un termine forzante aggiuntivo al sistema.