Nonlinear dynamic analysis of shear- and torsion-free rods using isogeometric discretization, outlier removal and robust time integration

In this paper, we present a discrete formulation of nonlinear shear- and torsion-free rods based on \cite{gebhardt_2021_beam} that uses isogeometric discretization and robust time integration. Omitting the director as an independent variable field, we reduce the number of degrees of freedom and obtain discrete solutions in multiple copies of the Euclidean space $\left(\mathbb{R}^3\right)$, which is larger than the corresponding multiple copies of the manifold \left(\mathbb{R}^3 \cross S^2\right) obtained with standard Hermite finite elements. For implicit time integration, we choose a hybrid form of the mid-point rule and the trapezoidal rule that preserves the linear angular momentum exactly and approximates the energy accurately. In addition, we apply a recently introduced approach for outlier removal \cite{hiemstra_outlier_2021} that reduces high-frequency content in the response without affecting the accuracy, ensuring robustness of our nonlinear discrete formulation. We illustrate the efficiency of our nonlinear discrete formulation for static and transient rods under different loading conditions, demonstrating good accuracy in space, time and the frequency domain. Our numerical example coincides with a relevant application case, the simulation of mooring lines

Aerodinámica y dinámica del vuelo de alas batientes

En este trabajo se presenta una herramienta de simulación numérica que permite estudiar la aerodinámica no-estacionaria y la dinámica no-lineal asociada al vuelo natural de insectos y aves pequeñas. El modelo aerodinámico utilizado es una versión modificada de la versión 3D del “unsteady vortex lattice method” (UVLM), una generalización del conocido “vortex lattice method”, ampliamente utilizado en flujos incompresibles y estacionarios. La dinámica asociada al insecto se modela mediante un modelo estructural multicuerpo hibrido del insecto completo (cabeza, tórax, abdomen y alas). El desarrollo del modelo está basado en la formulación de Lagrange con coordenadas generalizadas redundantes. Para lograr generalidad y versatilidad en la herramienta desarrollada, se modificó un modelo cinemático desarrollado previamente por los autores de este trabajo para incluir diferentes patrones de deformación sobre el ala (torsión, flexión y ambos efectos combinados). Las alas tienen movimientos prescriptos respecto del cuerpo central, se dice que las alas son cinemáticamente conducidas. La integración numérica de todas las ecuaciones gobernantes, que son diferenciales algebraicas, es realizada simultáneamente e interactivamente en el dominio del tiempo. El esquema de integración usado acopla un método predictor corrector de cuarto orden, el método modificado de Hamming, con un procedimiento de estabilización para las ecuaciones de movimiento resultantes.Fil: Roccia, Bruno A. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ingeniería; Argentina.Fil: Roccia, Bruno A. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Preidikman, Sergio. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Preidikman, Sergio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina.Fil: Massa, Julio C. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Departamento de Estructuras; Argentina.Fil: Mook, Dean T. Virginia Polytechnic Institute and State University Blacksburg VA. Department of Engineering Sciences and Mechanics; Estados Unidos.Ingeniería Mecánic

Estudio numérico de inestabilidades aeroelásticas dinámicas en alas reconfigurables inspiradas en la biología

Actualmente, un nuevo concepto de aeronave inteligente no-tripulada es sujeto de estudio en diversas disciplinas de la ingeniería aeronáutica. Este concepto utilizará una avanzada tecnología, conocida como morphing wings, que permitirá cambiar la geometría de las alas de una aeronave durante el vuelo, del mismo modo que lo hacen las aves, con el fin de satisfacer eficientemente los objetivos asignados en múltiples misiones. Para lograr la materialización de estos avanzados aviones con tecnología morphing wings aún quedan muchos aspectos técnicos por comprender. El comportamiento aeroelástico es un aspecto fundamental en el desempeño de vuelo de estas futuras aeronaves. Con respecto al concepto de ala reconfigurable denominado folding wings se han desarrollado estudios analíticos, numéricos y experimentales para predecir la velocidad y la frecuencia de flutter. La mayoría de los estudios teóricos, realizados sobre geometrías simples, consideran modelos que estiman las cargas aerodinámicas en el dominio de la frecuencia, lo que imposibilita estimar la respuesta aeroelástica a velocidades subcríticas y supercríticas (velocidades inferiores y superiores, respectivamente, a la velocidad de flutter). En este trabajo se presentan los resultados del estudio, desarrollado mediante simulaciones numéricas, de la inestabilidad aeroelástica dinámica, llamada flutter, en un modelo de ala reconfigurable inspirada en la biología. La geometría del ala está basada en datos extraídos de la literatura y corresponden a una gaviota de mar (Larus Argentatus). Para cambiar la forma de las alas se utiliza el mecanismo folding wings, comúnmente observado en el vuelo de algunas aves. Los resultados presentados en este trabajo son obtenidos con una herramienta de simulación aeroelástica, cuya formulación teórica e implementación computacional han sido presentadas en artículos previos.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 27.Facultad de Ingenierí

Aerodinámica de generadores eólicos aerotransportados que operan a gran altitud

Recientemente, un nuevo paradigma asociado a la generación de energía a partir del aire en movimiento ha surgido como alternativa a la generación clásica de energía por medio de turbinas eólicas. Esta nueva tecnología, denominada Airborne Wind Energy (AWE), consiste de dispositivos de generación aerotransportados conectados a una estación terrestre que “cosechan” energía eólica a grandes alturas. Su evolución se ha visto impulsada por su prominente capacidad de producir energía a bajo costo, a una altura donde las corrientes de aire son más fuertes y estables. Si bien diversas instituciones públicas y privadas alrededor del mundo han presentado sus propios diseños fundados en conceptos AWE, esta tecnología se encuentra aún en su estadio inicial; hecho que justifica el desarrollo de herramientas numéricas eficientes que permitan establecer las bases para el diseño de la próxima generación de AWEs. En este trabajo se presenta el desarrollo de una herramienta de simulación numérica para estudiar la aerodinámica no estacionaria y no lineal de un concepto de AWE basado en una plataforma voladora tipo “barrilete” (kiteplane). La configuración del AWE estudiado posee su estación de generación en tierra con un mecanismo de generación de energía que consiste de ciclos de “bombeo” (tracción y retracción). Durante la fase de tracción, el barrilete vuela siguiendo trayectorias con forma de “8” en el espacio, maximizando la tracción sobre el cable y, por lo tanto, produciendo energía a medida que el mismo se desenrolla de la máquina eléctrica. Un punto crucial en el diseño de un AWE eficiente está asociado al cálculo de la fuerza de tracción que se produce en el cable que lo vincula con la estación terrestre, la cual depende directamente de la aerodinámica del barrilete. Con el fin de estudiar la aerodinámica de AWEs y cuantificar la fuerza que estos ejercen sobre el cable de sujeción se adoptó un modelo aerodinámico basado en una versión modificada de la versión 3D del “unsteady vortex-lattice method”, una generalización del conocido “vortex-lattice method”, ampliamente utilizado en flujos incompresibles y estacionarios. Adicionalmente, en este artículo se estudia como las cargas aerodinámicas se ven influenciadas por: i) el ángulo de ataque; ii) la posición de los empenajes horizontal y verticales; y iii) la relación de aspecto, y los ángulos de diedro y de flecha de las alas. Esta línea de investigación está orientada a desarrollar herramientas de simulación para estudiar la dinámica y la aerodinámica de sistemas AWE, y desarrollar sistemas dinámicos finitos para estudiar la aero-servo-elasticidad de dispositivos de generación de energía no convencionales como alternativa a las grandes turbinas eólicas de eje horizontal y/o vertical.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 26Facultad de Ingenierí

1. On the Effect of Hardening/Softening Structural Non-linearities on an Array of Aerodynamically Coupled Piezoelectric Harvesters

peer reviewedIn this work, we study the non-linear dynamic response of two vertically-arranged aero-piezoelastic harvesters. The numerical framework consists of the following: i) an aerodynamic model based on the unsteady vortex-lattice method; ii) a three degree-of-freedom lumped-parameter model for each harvester; iii) an inter-model connection to exchange information between models at each time step; and iv) a numerical scheme based on Hamming’s fourth-order predictor–corrector method to integrate all the governing equations. Particularly, the effect of nonlinear hardening/softening springs on the harvested output power is investigated. Among the results obtained, an interesting finding is that hardening springs yield larger LCO amplitudes and higher harvested power than softening springs

On the evaluation of different procedures for computing aerodynamic loads for the unsteady vortex lattice method

The unsteady vortex-lattice method (UVLM) is widely used to estimate the aerodynamic loads for unsteady subsonic flows. The approach is well-suited for applications where the free-wake modeling becomes critical, for example hovering rotors, wind turbine blades, flapping wings and flexible aircraft. Several procedures have been proposed in the literature for computing aerodynamic loads for the UVLM. In this paper we present a comparative evaluation among three such techniques: the Joukowski method, the Katz method and a modified version of the Katz method developed at Virginia Tech. The methodology used to evaluate the quality of the predictions of the aforementioned methods consists in a convergence analysis of the aerodynamic loads (lift and induced drag) for a lifting surface undergoing pitching and plunging motions. In addition, the authors provide: i) a detailed description of the theoret- ical aspects of each one of the methods; ii) a detailed description of the computational implementation; and iii) a detailed analysis of the computational cost. All methods are implemented in a single Fortran code. The numerical results obtained using the code present good agreement with known solutions found in the literature for two-dimensional airfoils and three-dimensional wings in steady and unsteady flows cases