Development of actuated morphing structures based on composite flexible elements

The scope of this research is to prove the feasibility and the efficiency of morphing actuated structures in the aeronautic field. Both experimental and numerical activities have been undertaken to assess the technological process of flexible elements, made of composite material, which constitute the principal components of the adaptive solutions that are meant to be developed. Detailed virtual prototypes of aeronautic application have been implemented, relying on the characterization of the mechanical properties shown by technological demonstrators of the constitutive components, which have been manufactured. These numerical model have allowed a fast and complete investigation of the performances that could be obtained in terms of aerodynamic and structural aspects by such adaptive configurations. The general configuration which guides the design of these morphing application is based on a structural layout where an internal chiral composite rib sustains a composite corrugated structure and a flexible skin, with an actuation system embedded, consisting in shape memory wires. From the technological point of view there was an experimental investigation of the integration between actuators and skin, the evaluation of different corrugated shapes and the characterization of shape memory alloys to understand their behaviour when embedded in an elastic structure. This experimental activity provided all the data for the implementation and validation of a numerical technique able of modelling the behaviour of shape memory alloys, both in heating and cooling phase. Also different topologies of chiral honeycombs where investigated to find out the best compromise between auxetic behaviour, technological feasibility and structural integrity. The chiral internal ribs and the skin actuated system represent the basic elements to develop morphing aerodynamic surfaces that could guarantee a gapless and extremely flexible adaptation of the shape to generate aerodynamic loads and to adapt with maximum efficiency to different mission or flight phases. A first case study is represented by a trailing edge high lift device. The resulting solution is a morphing flap which collects the benefit of a fowler mechanism and a variable camber profile. This morphing solution shows adaptability to much more flight conditions than a rigid configuration, and such adaptability is made possible thanks to an internal structure made of chiral honeycomb with polygonal topology, a highly deformable skin based on a corrugated composite panel and an actuation system that combines the contributions of conventional actuators applied to the chiral rib and shape memory alloys embedded in the skin. The second application presented is a morphing aileron whose design started from an aeroelastic condensed model implemented to set up an optimization process, aimed at obtaining the most performing distribution of actuators and stiffness, maximizing a performance index depending on increase in lift coefficient and work done by actuators. The final step of this work consists in the transition, from the condensed, to a detailed finite element model, of the morphing trailing edge, for the complete assessment of overall morphing behaviour and structural integrity, under the action of actuation and aerodynamic forces. This study proved that morphing design philosophy in the aeronautic field can bring to high performances and aerodynamically efficient structures. Indeed, on one side, technological demonstrators of the principal subcomponents assessed the feasibility of such flexible solutions and of diffused actuation systems embedded; on the other side, the virtual prototypes of the real applications showed the capability of reaching high performances in a very wide range of configurations, without problems of structural integrity or energetic efficiency.

Lo scopo di questo studio è mostrare la fattibilità e l’efficienza di strutture morphing attuate, in campo aeronautico. Sono state intraprese sia attività sperimentali che numeriche per valutare il processo tecnologico di elementi flessibili, in materiale composito, che costituiscono i principali componenti delle soluzioni adattive che vogliono essere sviluppate. Sono stati implementati prototipi virtuali dettagliati di applicazione aeronautica, basandosi sulla caratterizzazione delle proprietà meccaniche dei dimostratori tecnologici dei componenti che sono che sono stati realizzati. Questi modelli numerici hanno permesso una veloce e completa indagine delle prestazioni che possono essere ottenute da tali configurazioni adattive, in termini di aerodinamica e aspetti strutturali. La configurazione generale che guida il progetto di queste strutture morphing è basata su uno schema strutturale dove una centina chirale, in materiale composito sostiene un pannello di composito corrugato e una pelle flessibile, che ospita un sistema di attuazione in fili di leghe a memoria di forma. Dal punto di vista tecnologico c’è stata un’indagine dell’integrazione tra pelle e sistema di attuazione, una valutazione di diverse forme di corrugato e una caratterizzazione delle leghe a memoria di forma, per capire il loro comportamento quando vengono integrate all’interno di una struttura deformabile. Questa attività sperimentale ha fornito tutti i dati per l’implementazione e la validazione di una tecnica numerica capace di modellare il comportamento delle leghe a memoria di forma, sia in fase di riscaldamento che di raffreddamento. Anche diverse topologie di cella chirale sono state prese in considerazione per trovare il miglior compromesso tra proprietà auxetiche, fattibilità tecnologica e integrità strutturale. Centina chirale e pelle attuata rappresentano i componenti principali di una superficie aerodinamica morphing che possa garantire un adattamento graduale e senza discontinuità della forma, per generare carichi aerodinamici e adattarsi con la massima efficienza a differenti missioni e fasi di volo. Un primo caso di studio è costituito da un ipersostentatore di bordo d’uscita. La soluzione individuata è un flap morphing che unisce il beneficio di un meccanismo di estrazione fowler e un profilo a curvatura variabile. Questa soluzione morphing mostra di potersi adattare a più condizioni di volo rispetto a una configurazione rigida, e questo è reso possibile da una struttura interna chirale di topologia poligonale, una pelle flessibile sorretta da un pannello composito corrugato ed un sistema di attuazione che combina i contributi di attuatori convenzionali collegati alla centina e leghe a memoria di forma inglobati nel rivestimento esterno. La seconda applicazione presentata è un alettone morphing la cui progettazione è partita da un modello aeroelastico condensato, con lo scopo di implementare un processo di ottimizzazione, volto ad ottenere la più conveniente configurazione del sistema di attuazione all’interno del rivestimento, massimizzando un indice di prestazione che dipenda dall’aumento di portanza e dal lavoro fatto dall’attuazione. L’ultimo passo di questo studio consiste nella migrazione da un modello condensato ad uno dettagliato ad elementi finiti, dell’alettone morphing, per una verifica completa del comportamento adattivo e dell’integrità strutturale, sotto l’azione di forze di attuazione ed aerodinamiche. Lo studio ha provato che una filosofia di progetto morphing in campo aeronautico può portare ad elevate prestazioni ed a strutture aerodinamicamente efficienti. Da un lato, infatti, dimostratori tecnologici dei principali componenti hanno dimostrato la fattibilità di tali soluzioni altamente deformabili e di sistemi di attuazione integrati; dall’altro lato prototipi virtuali di applicazioni reali hanno mostrato la possibilità di raggiungere elevate prestazioni in un ampio campo di configurazioni, senza incorrere in problemi di integrità strutturale o efficienza energetica.