Design of the frame of an innovative twin internal combustion engine helicopter

The present thesis work has the aim of designing the structural components of an innovative twin – piston engine helicopter that can be certified as a Very Light Rotorcraft, allowing to considerably cut costs related to certification, flying license, production and operation, with respect to competitors such as the twin – turbine engines already in the market. Starting from a pre – existent VLR, a first concept of the frame is hence developed so that, once imported into a FEM software, it can lay the ground for the realization of a beam and shell model. This is subjected to a series of static analyses that highlight irreality effects, pointing out which components should be taken into account in the refinement process in order to achieve a realistic representation of the machine’s behaviour, that enables design for enduring static loads. New analyses allow to determine the optimal configuration in terms of beams cross – section, number and position, so that the structure resists the applied forces and satisfies the constraint on weight at the same time. Areas that locally exceed the admissible stress are analyzed by means of a submodelling with solid tetrahedral elements, with the aim of alleviating the level of stress through studied structural features. A load spectrum describing in – service conditions in the best possible way is thus implemented, using as reference the standardised version provided in FELIX: the defined load cycles are employed in the fatigue assessment of the frame node individuated to be the most critical, carried out adopting a local strain approach. An experimental procedure with the purpose of validating the outcome of this process is developed and then started in the laboratories at Politecnico di Milano. The performed work produces results that, if compared with the minimum requirements of the project, convalidate the feasibility of the same and, apart from the frame itself, furtherly provides an infrastructure for future development and optimization operations.

Il presente lavoro di tesi ha come scopo quello di progettare le componenti strutturali di un innovativo elicottero bimotore a pistoni che possa essere certificato come un Very Light Rotorcraft, permettendo così un considerevole abbattimento dei costi legati alla certificazione, all’ ottenimento della licenza, alla produzione e all’uso, rispetto ai concorrenti biturbina disponibili ad oggi sul mercato. A partire da un preesistente VLR, viene quindi sviluppato un primo concept del telaio che, una volta importato in un software FEM, faccia da base alla realizzazione di un modello ad aste e shell. Quest’ultimo viene sottoposto ad una serie di analisi statiche che evidenziano gli effetti d’irrealtà al suo interno, mettendo in mostra quali componenti vanno considerate nel rifinirlo per giungere ad una rappresentazione realistica del comportamento della macchina, che ne permetta il dimensionamento per reggere i carichi statici. Nuove analisi permettono la determinazione della configurazione ottimale, in termini di sezione, numero e posizionamento delle aste del telaio, affinché la struttura resista staticamente e al contempo soddisfi il vincolo sul peso. Le aree che eccedono localmente la tensione ammissibile sono analizzate attraverso un submodelling con elementi solidi tetraedrici, al fine di alleviarne lo stato di sforzo con soluzioni strutturali studiate ad hoc. Viene dunque implementato uno spettro di carico che descriva al meglio le condizioni a cui è sottoposto il veicolo in servizio, prendendo come riferimento quello standard fornito da FELIX: i cicli di sollecitazione così definiti vengono usati per la verifica della vita a fatica sul nodo individuato come più critico del telaio, effettuata attraverso il metodo della deformazione locale. Una prova sperimentale con lo scopo di validare l’esito di questo processo è sviluppata ed avviata presso i laboratori del Politecnico di Milano. Il lavoro svolto produce risultati che, se confrontati con i requisiti minimi del progetto, confermano la fattibilità dello stesso e, aldilà del telaio in sé, fornisce inoltre un’ infrastruttura per future operazioni di sviluppo e ottimizzazione.