Active aero-visco-elastic flutter control of variable stiffness composites and sandwich panels using refined structural models

February 26, 2026

O crescente interesse em veículos aéreos de alta velocidade, como aeronaves supersónicas, evidencia a necessidade de soluções inovadoras de design estrutural para aumentar a resiliência e a eficiência das estruturas aeroespaciais, incluindo a estabilidade aeroelástica em termos de flutter. Este trabalho centra-se no desenvolvimento e avaliação de uma formulação de elementos finitos refinados, concebida para análise de flutter aeroelástico e controlo ativo em painéis compósitos avançados sob escoamento supersónico, explorando as capacidades de compósitos laminados de rigidez variável com fibras curvilíneas, materiais viscoelásticos e sensores/atuadores piezoelétricos como tecnologias de design estrutural emergentes e altamente promissoras para estruturas aeroespaciais multifuncionais. Considerando compósitos laminados, painéis sanduíche viscoelásticos e painéis inteligentes com lâminas piezoelétricas, os desafios de modelação associados às heterogeneidades materiais, deformações transversais e resposta eletromecânica acoplada são abordados utilizando teorias estruturais de alta ordem progressivamente refinadas, incluindo formulações Equivalent Single Layer (ESL) e Layerwise (LW), assumindo a quasisteady first-order piston theory como modelo aerodinâmico. Em termos de modelação estrutural, a avaliação das capacidades preditivas dos modelos revela que, embora os modelos de primeira ordem ofereçam um compromisso razoável entre precisão numérica e eficiência computacional, modelos estruturais quasi-3D de alta ordem são cruciais para obter análises de flutter altamente precisas, especialmente ao lidar com compósitos de fibras curvilíneas, painéis moderadamente espessos, flutter envolvendo modos de ordem superior e ambientes de alta temperatura. Do ponto de vista da otimização do design, compósitos com fibras curvilíneas e tratamentos de amortecimento viscoelástico oferecem grande potencial para melhorar a estabilidade ao flutter em painéis supersónicos, permitindo números de Mach críticos de flutter mais elevados. Adicionalmente, o controlo ativo em painéis inteligentes melhora significativamente a resistência ao flutter, com o controlo por retroação proporcional a destacar-se em coupled-mode flutter e o controlo por retroação derivativa em single-mode flutter. The increasing interest in cutting-edge high-speed air vehicles, such as supersonic aircraft, underscores the critical need for innovative structural design solutions to enhance the resilience and efficiency of lightweight aerospace structures under extreme environments, including aeroelastic flutter stability. This work is focused on the development and assessment of a refined finite element framework, aimed at aeroelastic flutter analysis and active control of advanced multilayered composite panels under supersonic airflow, exploring the capabilities of variable stiffness composite (VSC) laminates with curvilinear fibres, viscoelastic materials, and smart piezoelectric sensors/actuators as emerging and highly promising structural design technologies for multifunctional aerospace structures. Considering purely elastic composite laminates, viscoelastic sandwich panels, and smart panels with surface bonded piezoelectric layers/patches, all featuring composite layers with either unidirectional or curvilinear fibres, the associated modelling challenges posed by material inhomogeneities, transverse shear deformations, thickness stretching and coupled electromechanical response are discussed using progressively refined high-order structural theories, including Equivalent Single Layer (ESL) and quasi-3D Layerwise (LW) models, while assuming the quasi-steady first-order piston theory as aerodynamic model. In view of the structural modelling, the comprehensive assessment of the models predictive capabilities reveals that although first-order shear deformation models provide a fair compromise between numerical accuracy and computational efficiency, high-order structural models with thickness stretching are crucial to obtain highly accurate flutter estimations, especially when dealing with VSC layers featuring curvilinear fibres, moderately thick panels, flutter involving high-order modes and high-temperature environments. From a design perspective, curvilinear fibres tailoring and viscoelastic damping treatments offer great potential to enhance supersonic panel flutter stability, enabling higher critical flutter Mach numbers. Additionally, active control in smart panels significantly improves flutter resistance, with proportional feedback control excelling in coupled-mode flutter and derivative feedback control in single-mode flutter.

Authors in the community:

• 

  J

  João Pedro dos Anjos Moreira

  ist425579

  Affiliations and sources

  IST > IDMEC

  Instituto de Engenharia Mecânica

Supervisors of this institution:

• 

  F

  Filipa Andreia De Matos Moleiro

  ist146125

• 

  A

  Aurélio Lima Araújo

  ist62256

101768613

Mestrado em Engenharia Aeroespacial

mechanical-engineering - Mechanical engineering

Keywords

• Supersonic panel flutter
• Active aeroelastic control
• Variable stiffness composites
• Viscoelastic sandwich panels
• Structural modelling
• Flutter em painéis supersónicos
• Controlo aeroelástico ativo
• Compósitos de rigidez variável
• Painéis sanduíche viscoelásticos
• Modelação estrutural

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Funding Stream: PhD scholarship

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: 2021.06113.BD