Development of an active morphing surface based on corrugated laminates

A study on corrugated laminates and morphing structure is presented with the final aim of producing a demonstrator of a morphing airfoil able to change its camber. The final model is realized by coupling two corrugated laminates with different lamination sequences and different materials. In this way, an asymmetric structure is obtained and the change in camber can be exploited. The actuation system is made by Shape Memory Alloys, in particular, Nitinol wires, and they are embedded in the structure, taking advantages from close cells environment. A numerical model is implemented with the aim of having a prediction of the structure behaviour and trying to minimize any structural stability compromising issues. The characteristic parameters of each material are introduced after characterization tests campaigns for both carbon and glass plane specimens and corrugates (twin and single, respectively). Thanks to the numerical model, a study on the actuation system is also performed. Different wires densities are tested to evaluate the feasibility of the system itself. The idea is to make the actuators able to bear aerodynamic loads computed on real airfoil pressure distributions which are introduced directly in FEM model. Thanks to its parametric nature, it is possible to test different loads, lamination sequences and corrugates’ geometries. An elastomeric skin is also designed trying to minimize the thickness without disadvantaging the capability of bearing aerodynamic loads and deformations of the underlying structure. The Neoprene is chosen due to its aeronautical applications. The technological process needed to produce the demonstrator is defined, in order to understand the criticalities and solve them. The numerical model is validated and updated by experimental tests. The results show a good correlation between collected data. A good coupling of trapezoidal and rectangular corrugates is found, even if the optimum for this geometric configuration has to be defined yet. An optimization analysis is necessary in this sense. Experimental results demonstrate that the demonstrator behaves well in bending conditions and the actuation system works as expected. Numerical analyses confirm that both Nitinol stress level and deformations values for glass and carbon corrugate respect the imposed limits in actuation phase. A final numerical study based on the introduction of the most critical load condition ensures that the structure reacts well also to the applied aerodynamic loads if the wires density is set properly. The technological process necessary to realize the demonstrator confirms the feasibility of the thesis project herein presented. Some improvements can be identified to carry on and enhance the project, even if a good starting point is reached.

Il presente lavoro di tesi si concentra sullo studio di laminati corrugati e di strutture morphing con lo scopo finale di produrre un dimostratore di un profilo attuato in grado cambiare la propria curvatura. Il modello finale è realizzato accoppiando due laminati corrugati con differente geometria e sequenza di laminazione, in modo tale da ottenere una struttura asimmetrica e consentire il manifestarsi del cambiamento di curvatura. Il sistema di attuazione è basato sul principio di funzionamento delle leghe a memoria di forma ed, in particolare, prevede l’installazione di fili di Nitinol. I fili sono completamente inglobati nella struttura in quanto incollati fra i due corrugati e possono lavorare in ambiente protetto grazie alla geometria a cella chiusa derivante dall’accoppiamento dei due laminati. Grazie ad un modello numerico dell’intera struttura, è possibile prevederne il comportamento e cercare di minimizzare le possibilità di compromissione della stabilità e dell’integrità della stessa. Inoltre, i parametri caratteristici di ogni materiale impiegato nella realizzazione del dimostratore sono stati inseriti nel modello numerico al termine di una campagna di test di caratterizzazione, che ha coinvolto provino piani e corrugati (singoli o doppi). Il modello numerico ha reso possibile effettuare uno studio di sensibilità sul numero di fili che devono essere inglobati nella struttura per garantire determinate prestazioni, permettendo di valutare contestualmente la fattibilità tecnologica dell’intero progetto. L’idea finale è quella di produrre un prototipo in grado di sostenere i carichi aerodinamici. In questo senso, diversi studi sono stati condotti partendo da distribuzioni di pressioni reali e introducendole nel modello ad elementi finiti. Grazie alla natura parametrica di questo modello, è stato possibile testare differenti configurazioni sia a livello di geometrie e di sequenze di laminazione dei corrugati, sia a livello di introduzione dei carichi aerodinamici. È stato portato avanti uno studio inerente al rivestimento elastomerico del prototipo con l’obiettivo di minimizzarne lo spessore senza compromettere però la capacità di sostenere i carichi aerodinamici e le elevate deformazioni della struttura sottostante. Tale studio ha portato alla scelta del Neoprene come miglior materiale per la realizzazione della copertura elastomerica, anche grazie alle sue applicazioni aeronautiche. È stato messo a punto il processo tecnologico per la produzione dei corrugati e, per estensione, dell’intera struttura del dimostratore, al fine di comprenderne le criticità. Il modello numerico è stato validato e aggiornato tramite test sperimentali, i cui risultati mostrano una buona correlazione fra i dati raccolti. La geometria che ha fornito i migliori risultati prevede l’accoppiamento di un corrugato in fibra di carbonio rettangolare e uno in fibra di vetro trapezoidale. L’ottimo per questa configurazione deve ancora essere trovato e in questo senso, sarebbe necessario condurre uno studio di ottimizzazione. I risultati sperimentali assicurano un buon comportamento a livello flessionale del profilo attuato e dimostrano che il sistema di attuazione risponde secondo le aspettative. Le analisi numeriche assicurano che il livello di sforzo nei fili di Nitinol e le deformazioni dei corrugati rientrano nei limiti prefissati in fase di attuazione. Un’ultima analisi aerodinamica basata sull’imposizione del carico maggiormente critico conferma che anche in fase di applicazione dei carichi sia il sistema di attuazione che i corrugati rispondono correttamente, rispettano i valori limite di sforzo e deformazioni, a patto che il numero di fili di Nitinol sia adeguato e correttamente dimensionato. Il processo tecnologico definito per la realizzazione del dimostratore dimostra la fattibilità del progetto presentato. Anche se alcuni miglioramenti possono e devono essere apportati, la configurazione alla quale si è giunti costituisce certamente un buon punto di partenza per successivi sviluppi.