An optimization procedure to refine the optimal design of morphing devices

Morphing devices for aircraft wings represent a promising technology to improve the performances, enabling the achievement of more efficient aircraft. However the design of morphing wings is a complex problem due to the conflicting requirements that must be handled. Therefore specific procedures must be developed in order to adequately face the challenging morphing problem. Optimization analysis is the main tool that can help the designer in finding solutions that are optimal from both the aerodynamic and the structural point of view. In the present work an optimization procedure is proposed for the improvement of the optimal design of morphing devices based on the distributed compliance concept. The integration of a mathematical toolbox with a finite element solver allows to refine morphing solutions but also to adapt existing topologies to different materials and geometries. Another tool is employed to get the numerical solution closer to the manufacturing process. The new procedure is applied to the design of a morphing droop nose to be installed on a reference regional aircraft. The same steps are repeated using a superelastic material as an alternative to the aluminium alloy. The results show a significant improvement of shape quality, but only the superelastic material allows to completely satisfy stress requirements. Moreover the preliminary design of a scaled wind tunnel model aimed at operational tests is performed. All the results validate each aspect of this optimization procedure which can assist the engineer up to the definition of a virtual prototype.

I dispositivi morphing per le ali dei velivoli rappresentano una tecnologia promettente per migliorare le prestazioni, consentendo di realizzare velivoli più efficienti. Tuttavia il progetto di ali morphing è un problema complesso a causa dei requisiti conflittuali che occorre gestire. Pertanto apposite procedure devono essere sviluppate per affrontare in maniera adeguata l'impegnativo problema del morphing. L'ottimizzazione è il principale strumento che può aiutare il progettista nel trovare soluzioni che siano ottime sia dal punto di vista aerodinamico che strutturale. In questo lavoro viene proposta una procedura di ottimizzazione per il miglioramento del progetto ottimo di dispositivi morphing basati sul'idea di flessibilità distribuita. L'integrazione di strumenti matematici con un solutore a elementi finiti permette di perfezionare soluzioni morphing ma anche di adattare topologie esistenti a materiali e geometrie diversi. Un altro strumento è utilizzato per avvicinare la soluzione numerica al processo produttivo. La nuova procedura è applicata al progetto di un droop nose morphing da installare su un velivolo regionale di riferimento. Gli stessi passi sono ripetuti usando un materiale superelastico come alternativa alla lega di alluminio. I risultati mostrano un miglioramento significativo della qualità della forma, ma solo il materiale superelastico permette di soddisfare completamente i vincoli sugli sforzi. Inoltre è stato eseguito il progetto preliminare di un modello in scala destinato a prove di funzionalità in galleria del vento. Tutti i risultati validano ogni aspetto di questa procedura di ottimizzazione che può assistere l'ingegnere fino alla definizione di prototipi virtuali.