Real-time wing-vortex and pressure distribution estimation on wings via displacements and strains in unsteady and transitional flight conditions

The analysis of thin structural components, which are characteristic of a broad class of Micro Air Vehicles, is presented herein. A direct solution approach, implemented in a general purpose multibody solver and tightly coupled in co-simulation with a CFD solver, is used. The present work discusses a variational principle that provides the mathematical framework from which a robust inverse finite element method (iFEM) is developed, for the inverse problem of reconstructing full-field structural displacement and pressure distribution of membrane wings subjected to static and unsteady loads from membrane strain distribution. Moving Least Squares are used to smooth and remap surface strain measurements, estimated from Digital Image Correlation (DIC), as needed by the inverse solution procedure. The same approach is used to map the structural and fluid interface kinematics and loads during the fluid-structure co-simulation. Both the direct and the inverse analyses are validated by comparing the direct predictions and the reconstructed deformations with experimental data for prestressed rectangular membranes subjected to static and unsteady loads. The load distributions reconstructed using the inverse analysis are compared with the corresponding ones obtained using the direct analysis. The proposed analysis enables accurate and computationally efficient high-fidelity reconstruction of the deformation field. It is therefore applicable to both static and dynamic problems. The inverse procedure for the reconstruction of shape and distributed loads runs on standard off-the-shelf PCs, and it is able to operate at sample rates of the order of tens of datasets per second. It could evolve into a powerful tool for both shape sensing and health monitoring of smart structures that are instrumented with embedded strain-sensing systems.

L'obiettivo principale di questo lavoro di tesi consiste nello sviluppo di una metodologia che utilizzi le deformazioni elastiche manifestate da un'ala flessibile durante il volo per stimare (in tempo reale) la pressione aerodinamica esercitata sull'ala stessa. Viene presentato un approccio di soluzione diretta, con analisi accoppiata fluido-struttura, per predire la configurazione del sistema sottoposto a carichi statici e dinamici. Viene inoltre proposta una formulazione variazionale per risolvere il problema inverso della ricostruzione del campo di spostamenti strutturali e della distribuzione di pressione a partire da misure di deformazione. Le misure di deformazione, ottenute tramite correlazione digitale delle immagini (DIC), sono utilizzate come input per l'analisi inversa, dopo essere state mappate (e filtrate spazialmente) attraverso una procedura basata sui Minimi Quadrati Mobili (MLS). La medesima procedura viene utilizzata durante l'analisi accoppiata fluido-strutturale per mappare la cinematica strutturale ed i carichi aerodinamici all'interfaccia tra fluido e struttura. Sia l'analisi inversa che quella diretta sono validate confrontando i risultati numerici con dati sperimentali ottenuti su strutture alari membranali, sottoposte a carichi statici e dinamici. La procedura proposta permette una ricostruzione accurata ed efficiente del campo di spostamento e distribuzione di pressione, con una frequenza dell'ordine di 30 Hz. Può perciò rappresentare un valido strumento anche per l'implementazione di una strategia per l'indentificazione del danno su strutture equipaggiate con un sistema di misurazione delle deformazioni.