Mechanical characterization of a morphing wing demonstrator and numerical model development

The following work concern about the characterization of a morphing wing demonstrator realized in the Politecnico di Milano laboratories within the project ST.I.M.A.(STrutture Ibride per la Meccanica e l’Aerospazio). The final goal of the demonstrator, as the name itself suggests, it is demonstrating the feasibility of a passive morphing wing using ribs made by composite materials and chiral topology and skins made by corrugated laminates. The basis idea is the concept of morphing sail, that consists in having a shape change when the profile is subjected to a sudden aerodynamic solicitation without undergoing in permanent deformation and then in going back to the original shape. The innovating idea in using composite materials coupled with particular geometries makes the ST.I.M.A. project really ambitious. The project started many years ago by realizing the first numerical model of single chiral cells followed by the characterization of them. The good results obtained with the single cells pushed the idea of realizing an entire rib made by chiral carbon fiber cells. The first step then was realizing a complete FE model optimized from multi physics point of view. Seen the promising results in the laboratories of Politecnico di Milano started the production of the chiral rib and corrugated skin in order to realize the already mentioned morphing demonstrator. Once the real morphing sail is realized it is necessary to characterize its mechanical properties and correlate them with the numerical simulation. Since the FE model was developed in the early stages of the project when the realization started due to technological aspects some changes where performed on the real model with respect to the initial idea at the basis of the numerical one. Here start my work on the morphing demonstrator, where in the first part of my thesis I developed a numerical model based on the actual characteristics of the real structure in order to have an FE model compliant with the characteristics of the demonstrator. After the developing of the new demonstrator FE model, each morphing parts is also modeled apart, because before performing static test on the whole demonstrator it is necessary to characterize the properties of the single pieces (i.e. chiral rib and morphing skin).
The developed numerical model are used in a first instance to realize also the static test setup, in order to estimate the load to be applied without undergoing in some undesired failure of the tested sample. After the execution of the static test I analyzed all the measured data by using some self made MatLab script in order to plot al the quantities in an appropriate way to estimate the mechanical properties of the structures under test. Using the results coming from the static tests it is also possible to find the right parameters in order to have a good correlation between the real and numerical model.

Il seguente lavoro tratta la caratterizzazione di un dimostratore d’ala morphing realizzato nei laboratori del Politecnico di Milano nell’ambito del progetto ST.I.M.A. (Strutture Ibride per la Meccanica e l’Aerospazio). L’obiettivo finale del dimostratore, come il nome stesso suggerisce, è quello di provare la fattibilità di un’ala morphing passiva mediante centine costituite da materiali compositi e topologia chirale e pelli fatte da laminati corrugati. L’idea alla base è il concetto di vela morphing, che consiste nell’avere un cambiamento di forma quando il profilo viene sottoposto ad una sollecitazione aerodinamica improvvisa, senza subire deformazioni permanenti, per poi a tornare alla sua forma originale. L’idea innovativa nell’uso di materiali compositi insieme con geometrie particolari rende ST.I.M.A. un progetto davvero ambizioso. Il progetto è iniziato molti anni fa, realizzando il primo modello numerico di singole celle chirali, seguita dalla loro caratterizzazione. I buoni risultati ottenuti con le singole celle hanno spinto l’idea di realizzare un intera centina fatta da celle chirali in fibra di carbonio. Il primo passo quindi è stato la realizzazione di un modello completo FE ottimizzato dal punto di vista multi disciplinare. Visti i risultati promettenti nei laboratori del Politecnico di Milano è iniziata la produzione della centina chirale e del corrugato per realizzare il dimostratore morphing già citato. Una volta che il dimostratore morphing è stato realizzato è necessario caratterizzare le proprietà meccaniche e correlarle con le simulazioni numeriche. Poiché il modello FE è stato sviluppato nelle fasi iniziali del progetto, quando la realizzazione è stata avviata, a causa di aspetti tecnologici, sono state eseguite alcune modifiche sul dimostratore reale rispetto alla prima idea alla base del modello numerico. Qui ha inizio il mio lavoro di tesi sul dimostratore morphing, dove nella prima parte ho sviluppato un modello numerico in base alle caratteristiche effettive della vera e propria struttura in modo da avere un modello FE compatibile con le caratteristiche del dimostratore. Dopo lo sviluppo del nuovo modello FE, ogni parte morphing è stata modellata a parte, perché prima di eseguire prova statica del dimostratore completo è necessario caratterizzare le proprietà dei singoli pezzi (cioè centina chirale e corrugato). I modelli numerici sviluppati sono utilizzati in un primo grado per realizzare la configurazione delle prove statiche, specialmente per stimare il carico da applicare senza incorrere in danni permanenti indesiderati sul campione testato. Dopo lo svolgimento della prova statica ho analizzato tutti i dati misurati utilizzando alcuni script MATLAB da me realizzati per creare dei grafici in modo appropriato da poter valutare le proprietà meccaniche delle strutture in prova. Utilizzando i risultati ottenuti con le prove statiche è anche possibile trovare i parametri corretti in modo da avere una buona correlazione tra modello reale e numerico.