This work moves from the last step of the development of a morphing wing demonstrator by the Aerospace Engineering Department of Politecnico di Milano for the ST.I.M.A. (STrutture Ibride per la Meccanica e l’Aerospazio) project. The morphing wing concept represents one of the last frontiers of the aerospace research in both structural and aerodynamic fields; throughout aviation history, many morphing solutions have been synthesized, but few of them proceeded to the manufacturing of real prototypes and even fewer to the wind tunnel or flight testing. Inspired by the properties of innovative materials and structural features such as corrugated laminates and auxetic chiral honeycombs, the previews activities proceeded to the study of feasibility, the design and, finally, the manufacturing of a physical wing, which exploited them to improve the performance of a symmetric NACA0018 wing, introducing passive morphing capabilities. According to the promising results successive developments of several configurations finally led to the definitive design and manufacturing of a physical prototype and, in parallel, of a correlated FE model. Each part of the demonstrator has been statically tested before the assembly; static tests were run on the final structure as well for the FEM correlation. Starting from this point, the present work proceeded with a further development of the prototype in preparation of the wind tunnel testing; this process included the completion of the skin-to-rib connection, the embedded instrumentation setup and the covering, in order to obtain a smooth and seamless external surface. In addition, a blocking/actuating system was designed and implemented to inhibit the morphing properties when requested by the wind tunnel testing schedule. Furthermore, a failure on one of the ribs was detected during the operations and required a repair and a new cure in autoclave. Considering these modifications, the ultimate version of the demonstrator was subjected to static tests before the ones in the wind tunnel; such tests aimed to validate the prototype and investigate its response when subjected to loads comparable with those expected for the aerodynamic tests, focusing on the overall stiffness variation from the previews results. The absence of distortions was a part of the validation as well, while the strain data were used as a reference for the successive wind tunnel tests. The same tests were then replicated on an updated FE model and compared with the old one to check for the same increments. The wind tunnel test design and setup was a parallel activity, which led to the realization of a tailored support frame and the integration of the test section with wall fences, aiming to face the issues due to the unconventional size of the demonstrator. Finally, the wind tunnel tests complete this survey. They took place in the departmental aerodynamics laboratory, whose facilities include a low-turbulence subsonic wind tunnel capable of runs at the scheduled operative wind speed of 42 m/s. Tests were run at different angles of attack and airspeeds and with both blocked and free (morphing) configurations of the wing. With respect to the former, tests with a symmetric blocked configuration provided a reference for the comparison with the free one and with a blocked variant with imposed camber, in order to evaluate the passive and active morphing capabilities of the wing, respectively. The FE analyses were run on Abaqus®, while all the collected experimental data have been processed by ad-hoc Matlab® scripts.

Il seguente lavoro si colloca a continuazione dell’attività di sviluppo di un dimostratore di ala morphing presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, in merito al progetto ST.I.M.A. (STrutture Ibride per la Meccanica e l’Aerospazio). Il concetto di ala morphing rappresenta una delle ultime frontiere della ricerca in campo aerospaziale sia dal punto di vista strutturale che aerodinamico; svariate soluzioni morphing sono state proposte nella storia dell’aviazione, ma una piccola parte di esse sono culminate nella realizzazione fisica di un prototipo e ancora meno alla sperimentazione in volo o in galleria del vento. Traendo ispirazione dalle proprietà di materiali e strutture innovative tra cui i laminati corrugati e le strutture auxetiche, le attività precedenti hanno proceduto allo studio di fattibilità, alla progettazione e alla costruzione di un’ala prototipo che sfruttasse tali proprietà per migliorare le prestazioni di una tradizionale ala a profilo simmetrico NACA0018 implementando un morphing passivo. Avendo ottenuto risultati promettenti, il successivo sviluppo di varie configurazioni ha infine portato al progetto definitivo e alla realizzazione del dimostratore fisico e, parallelamente, alla correlazione di un modello a Elementi Finiti. Prima dell’assemblaggio finale, ogni componente del prototipo è stata sottoposta a prove statiche, così come anche la struttura completa nell’ambito della correlazione con il modello numerico. Partendo da questi presupposti, in questo lavoro si è proceduto ad un’ulteriore sviluppo del prototipo, in preparazione alle prove in galleria del vento; tale attività ha previsto il completamento del collegamento corrugato-centina chirale, la messa a punto dei sensori imbarcati e la copertura finalizzata a ottenere una superficie esterna regolare e priva di fessure. Infine, per inibire le proprietà morphing quando previsto nelle prove in galleria, è stato progettato e implementato un sistema di bloccaggio/attuazione. Inoltre, avendo riscontrato un cedimento di una delle centine chirali durante lo smontaggio del modello, è stata necessaria una riparazione e, di conseguenza, una nuova cura in autoclave. Alla luce di queste modifiche, a lavori ultimati il modello è stato sottoposto a nuovi test statici prima delle prove in galleria del vento, con il principale obiettivo di validare il prototipo e valutarne la risposta a sollecitazioni simili a quelle previste per i test aerodinamici e di confrontare l’incremento di rigidezza rispetto al modello precedente. Per la validazione è stata appurata anche l’assenza di distorsioni e asimmetrie, mentre i rilevamenti estensimetrici forniscono un riferimento per i successivi test in galleria. Gli stessi test statici sono poi stati replicati numericamente con un modello aggiornato ed i risultati confrontati con quelli precedenti per verificare i medesimi incrementi. L’attività di progetto e messa a punto della prova in galleria del vento è stata portata avanti in parallelo ed ha condotto alla realizzazione di una struttura di supporto su misura e la modifica della camera di prova con l’integrazione di paratie verticali, finalizzate a limitare le problematiche che l’insolita stazza del dimostratore comporta a livello aerodinamico. In conclusione, questo lavoro si completa con le prove in galleria. Queste hanno avuto luogo nel laboratorio aerodinamico dipartimentale, che include una galleria del vento subsonica a bassa turbolenza in grado di raggiungere la velocità massima di 42 m/s prevista per i test. Le prove sono state condotte a differenti angoli di incidenza e a varie velocità, con l’ala sia in configurazione bloccata che libera; relativamente alla configurazione bloccata, le prove con profilo simmetrico hanno fornito un riferimento per un’analisi comparativa delle prove a ala bloccata con curvatura imposta (morphing attivo) e di quelle a morphing passivo, senza sistema di bloccaggio. Le analisi a elementi finiti sono state effettuate con Abaqus®, mentre i dati sperimentali raccolti sono stati elaborati con script Matlab® compilati ad hoc.

Static validation and wind tunnel testing of a chiral morphing wing

ANGELELLI, ANDREA
2016/2017

Abstract

This work moves from the last step of the development of a morphing wing demonstrator by the Aerospace Engineering Department of Politecnico di Milano for the ST.I.M.A. (STrutture Ibride per la Meccanica e l’Aerospazio) project. The morphing wing concept represents one of the last frontiers of the aerospace research in both structural and aerodynamic fields; throughout aviation history, many morphing solutions have been synthesized, but few of them proceeded to the manufacturing of real prototypes and even fewer to the wind tunnel or flight testing. Inspired by the properties of innovative materials and structural features such as corrugated laminates and auxetic chiral honeycombs, the previews activities proceeded to the study of feasibility, the design and, finally, the manufacturing of a physical wing, which exploited them to improve the performance of a symmetric NACA0018 wing, introducing passive morphing capabilities. According to the promising results successive developments of several configurations finally led to the definitive design and manufacturing of a physical prototype and, in parallel, of a correlated FE model. Each part of the demonstrator has been statically tested before the assembly; static tests were run on the final structure as well for the FEM correlation. Starting from this point, the present work proceeded with a further development of the prototype in preparation of the wind tunnel testing; this process included the completion of the skin-to-rib connection, the embedded instrumentation setup and the covering, in order to obtain a smooth and seamless external surface. In addition, a blocking/actuating system was designed and implemented to inhibit the morphing properties when requested by the wind tunnel testing schedule. Furthermore, a failure on one of the ribs was detected during the operations and required a repair and a new cure in autoclave. Considering these modifications, the ultimate version of the demonstrator was subjected to static tests before the ones in the wind tunnel; such tests aimed to validate the prototype and investigate its response when subjected to loads comparable with those expected for the aerodynamic tests, focusing on the overall stiffness variation from the previews results. The absence of distortions was a part of the validation as well, while the strain data were used as a reference for the successive wind tunnel tests. The same tests were then replicated on an updated FE model and compared with the old one to check for the same increments. The wind tunnel test design and setup was a parallel activity, which led to the realization of a tailored support frame and the integration of the test section with wall fences, aiming to face the issues due to the unconventional size of the demonstrator. Finally, the wind tunnel tests complete this survey. They took place in the departmental aerodynamics laboratory, whose facilities include a low-turbulence subsonic wind tunnel capable of runs at the scheduled operative wind speed of 42 m/s. Tests were run at different angles of attack and airspeeds and with both blocked and free (morphing) configurations of the wing. With respect to the former, tests with a symmetric blocked configuration provided a reference for the comparison with the free one and with a blocked variant with imposed camber, in order to evaluate the passive and active morphing capabilities of the wing, respectively. The FE analyses were run on Abaqus®, while all the collected experimental data have been processed by ad-hoc Matlab® scripts.
GILARDELLI, ALESSANDRO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
19-apr-2018
2016/2017
Il seguente lavoro si colloca a continuazione dell’attività di sviluppo di un dimostratore di ala morphing presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, in merito al progetto ST.I.M.A. (STrutture Ibride per la Meccanica e l’Aerospazio). Il concetto di ala morphing rappresenta una delle ultime frontiere della ricerca in campo aerospaziale sia dal punto di vista strutturale che aerodinamico; svariate soluzioni morphing sono state proposte nella storia dell’aviazione, ma una piccola parte di esse sono culminate nella realizzazione fisica di un prototipo e ancora meno alla sperimentazione in volo o in galleria del vento. Traendo ispirazione dalle proprietà di materiali e strutture innovative tra cui i laminati corrugati e le strutture auxetiche, le attività precedenti hanno proceduto allo studio di fattibilità, alla progettazione e alla costruzione di un’ala prototipo che sfruttasse tali proprietà per migliorare le prestazioni di una tradizionale ala a profilo simmetrico NACA0018 implementando un morphing passivo. Avendo ottenuto risultati promettenti, il successivo sviluppo di varie configurazioni ha infine portato al progetto definitivo e alla realizzazione del dimostratore fisico e, parallelamente, alla correlazione di un modello a Elementi Finiti. Prima dell’assemblaggio finale, ogni componente del prototipo è stata sottoposta a prove statiche, così come anche la struttura completa nell’ambito della correlazione con il modello numerico. Partendo da questi presupposti, in questo lavoro si è proceduto ad un’ulteriore sviluppo del prototipo, in preparazione alle prove in galleria del vento; tale attività ha previsto il completamento del collegamento corrugato-centina chirale, la messa a punto dei sensori imbarcati e la copertura finalizzata a ottenere una superficie esterna regolare e priva di fessure. Infine, per inibire le proprietà morphing quando previsto nelle prove in galleria, è stato progettato e implementato un sistema di bloccaggio/attuazione. Inoltre, avendo riscontrato un cedimento di una delle centine chirali durante lo smontaggio del modello, è stata necessaria una riparazione e, di conseguenza, una nuova cura in autoclave. Alla luce di queste modifiche, a lavori ultimati il modello è stato sottoposto a nuovi test statici prima delle prove in galleria del vento, con il principale obiettivo di validare il prototipo e valutarne la risposta a sollecitazioni simili a quelle previste per i test aerodinamici e di confrontare l’incremento di rigidezza rispetto al modello precedente. Per la validazione è stata appurata anche l’assenza di distorsioni e asimmetrie, mentre i rilevamenti estensimetrici forniscono un riferimento per i successivi test in galleria. Gli stessi test statici sono poi stati replicati numericamente con un modello aggiornato ed i risultati confrontati con quelli precedenti per verificare i medesimi incrementi. L’attività di progetto e messa a punto della prova in galleria del vento è stata portata avanti in parallelo ed ha condotto alla realizzazione di una struttura di supporto su misura e la modifica della camera di prova con l’integrazione di paratie verticali, finalizzate a limitare le problematiche che l’insolita stazza del dimostratore comporta a livello aerodinamico. In conclusione, questo lavoro si completa con le prove in galleria. Queste hanno avuto luogo nel laboratorio aerodinamico dipartimentale, che include una galleria del vento subsonica a bassa turbolenza in grado di raggiungere la velocità massima di 42 m/s prevista per i test. Le prove sono state condotte a differenti angoli di incidenza e a varie velocità, con l’ala sia in configurazione bloccata che libera; relativamente alla configurazione bloccata, le prove con profilo simmetrico hanno fornito un riferimento per un’analisi comparativa delle prove a ala bloccata con curvatura imposta (morphing attivo) e di quelle a morphing passivo, senza sistema di bloccaggio. Le analisi a elementi finiti sono state effettuate con Abaqus®, mentre i dati sperimentali raccolti sono stati elaborati con script Matlab® compilati ad hoc.
Tesi di laurea Magistrale
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