MODELAGEM DE ASA ADAPTATIVA ATUADA POR ELEMENTOS DE LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA

Abstract

Shape memory alloys are one of the main types of smart materials used today. Due to their unique features and properties, shape memory alloys are suitable for applications in actuators in the aeronautical industry, among others. One remarkable application of shape memory alloy element actuators is in the field of aircraft morphing wings. The methodology employed in the present work includes a search for patent documents, in order to analyze the state of the art regarding this technology to identify its relevance and research and development interest, and the numerical modeling of a proposed adaptive wing geometry having an airfoil actuated by shape memory alloy elements. The search for patent documents regarding adaptive wings actuated by shape memory alloy elements was conducted in free databases. Regarding numerical modeling, three types of airfoils were chosen for the adaptive wing geometry: airfoil S1223 and bio-inspired avian airfoils of Gull (genus Larus) and Eurasian Teal (Anas crecca). Initially, a conceptual design of the wing geometry and the actuation system was developed, involving the selection of the alloy wire with shape memory and the torsion spring. Next, numerical simulations were carried out using free aerodynamic analysis software using the panel method to evaluate the performance of the selected airfoils and the aerodynamic loading of the wing. Finally, numerical simulations were carried out in commercial finite element software in order to study the thermomechanical behavior of the actuator and the structural integrity of the device. Among the three airfoils analyzed, the Eurasian Teal airfoil showed the best performance regarding the maximum lift variation (8% increase), which is particularly useful in the takeoff phase of the flight. In turn, the Seagull airfoil obtained the best result in terms of lift variation at zero angle of attack (approximately 40% increase), which can be an advantage when performing maneuvers. The obtained numerical results allowed evaluating an optimal configuration for an adaptive wing to be used in unmanned aerial vehicles (UAVs).

As ligas com memória de forma são um dos principais tipos de materiais inteligentes utilizados atualmente. Devido às suas características e propriedades singulares, as ligas com memória de forma se mostram adequadas para aplicações em atuadores na indústria aeronáutica, entre outras. Uma aplicação notável dos atuadores com elementos de ligas com memória de forma ocorre no campo de asas adaptativas de aeronaves. A metodologia empregada no presente trabalho inclui uma busca por documentos patentários, de modo a analisar o estado da técnica referente a essa tecnologia para identificar sua relevância e interesse de pesquisa e desenvolvimento, e a modelagem numérica de uma proposta de geometria de asa adaptativa com um perfil acionado por elementos de ligas com memória de forma. A busca por documentos patentários a respeito de asas adaptativas atuadas por elementos de ligas com memória de forma foi empregada em bases de dados gratuitas. Em relação à modelagem numérica, foram escolhidos três tipos de perfis para a geometria de asa adaptativa: perfil S1223 e os perfis bioinspirados nas aves Gaivota (gênero Larus) e Marrequinha-comum (Anas crecca). Inicialmente foi desenvolvido um projeto conceitual da geometria da asa e do sistema de atuação, envolvendo a seleção do fio de liga com memória de forma e da mola de torção. Em seguida, foram realizadas simulações numéricas em software gratuito de análises aerodinâmicas pelo método dos painéis para avaliação do desempenho dos perfis selecionados e do carregamento aerodinâmico da asa. Por fim, foram realizadas simulações numéricas em software comercial de elementos finitos com o objetivo de estudar o comportamento termomecânico do atuador e a integridade estrutural do dispositivo. Dentre os três perfis analisados, o perfil da Marrequinha-comum apresentou melhor desempenho no que se refere à variação de sustentação máxima (aumento de 8%), o que é particularmente útil na fase de decolagem do voo. Por sua vez, o perfil Gaivota obteve o melhor resultado em se tratando da variação de sustentação em ângulo de ataque zero (aumento de aproximadamente 40%), o que pode ser uma vantagem na realização de manobras. Os resultados numéricos obtidos permitiram avaliar uma configuração ótima para uma asa adaptativa a ser utilizada em veículos aéreos não-tripulados (VANTs).