Manufacturing and analysis of a composite material corrugated tube

This thesis follows and deepens the work done at the Aerospace Science and Technlogy Department of Politecnico di Milano on the corrugation and morphing subject. Following a brief description of the beahviour of corrugated structures it has been developed and refined a manifacturing procedure in order to obtain a corrugated tube as the best trade off between: good surface finiture, abscence of defects (like air inclusions, wrinkles etc..)and easiness in manifacturing. The procedure described cover all the parts of the process: starting from the design of all the tools needed during the manifacturing process to obtain the whole structure, going trough the pre-shaping procedure (which is common in all the various processes investigated), arriving to the polymenrization processes, which are different and all described in detail. Finally the assembly procedure is shown. Another main topic which doesn’t lack of importance and difficulties. Proper assembly infrastructures in fact, have been designed in order to obtain the final product. Thanks to the use of composite materials and polymers, the corrugated tube has been decomposed in few main elements, which are each one obtained trough near-shape technologies (for instance rapid prototyping trough 3D printing), hence minimizing the losses in wasted materials. Once it has been shown the feasibility in producing the corrugated structure, it has been perfomed a bending test to understand if its flexural capabilities fitted the numerical data at hand. In the end, the corrugated tube is analyzed under operational condition of possible applications such as: post combustion chamber in an hybrid rocket engine with vectoring capabilities and flexible joint. For each one of these configurations different criticalities and requirements were overcame. For the combustion chamber configuration the main drive has been the need to reinforce the tube enough to whitstand the pressure load without limiting the ability of the structure to bend. For the joint configuration instead, the capability of transmitting high torque was the main concern. The lamination sequence and even geometry of the corrugated tube were optimized to guarantee structural stability under high sollicitations. For both the experimental and the numerical part are provided final remarks that could lead to future development and analysis.

Questa tesi segue e approfondisce il lavoro svolto dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano nel campo delle strutture morphing e corrugate. A seguito di una breve descrizione generale del comportamento delle strutture corrugate si espone lo sviluppo del processo di produzione di un tubo corrugato. Un processo questo, volto all’ottenimento di un dimostratore tecnologico quale miglior compromesso fra: buona finitura superficiale, assenza di difetti (bolle d’aria, pieghe etc) e facilità di produzione. Il processo produttivo viene descritto in ogni sua fase: dal progetto dei componenti necessari alla produzione dell’intero apparato sperimentale, alla descrizione delle operazioni di pre-formatura (comune a tutti i processi produttivi analizzati) giungendo infine ai processi di curatura, i quali distinguono i vari processi fra loro e sono analizzati per questo in maggior dettaglio. Infine si mostra la procedura di assemblaggio, altra attività non meno importante e difficile. Degli appositi componenti di supporto sono stati progettati per permettere il corretto posizionamento delle parti e il loro collegamento. Grazie all’utilizzo dei materiali compositi e dei polimeri è stato possibile decomporre l’apparato sperimentale in pochi elementi principali, ottenuti attaverso tecnologie “net-shape” (come ad esempio la stampa 3D) minimizzando gli sprechi. Una volta mostrata la fattibilità del processo produttivo si è proseguito con un test a flessione per verificare quanto si discostassero fra loro le reali capacità flessionali dell’apparato e i dati numerici a disposizione. Un’altra parte di questa tesi analizza attraverso un modello ad elementi finiti il comportamento del tubo corrugato sotto le condizioni operative di alcune possibili applicazioni: post camera in un endoreattore ibrido con capacità di vettorializzazione della spinta e giunto flessible. Per ognuna di queste soluzioni applicative vengono mostrate criticità e soluzioni. Nel primo caso si è prestata la massima attenzione nel riuscire a rinforzare adeguatamente la struttura sottoposta ad alti carichi di pressione. Questa infatti deve essere contrastata attraverso soluzioni che non inficino la capacità flessionali del tubo. Nel secondo caso invece si sono studiate soluzioni tecnologiche in grado di innalzare il carico di instabilità a torsione. La necessità di raggiungere alti valori di instabilità ha richiesto la revisione della geometria di corrugazione e della sequenza di laminazione. Seguono sia alla parte numerica che alla parte sperimentale dei commenti alle soluzioni e proposte per ulteriori sviluppi.