Design of a heavy-duty composite flexible joint

A study on a composite corrugated tube is herein presented in order to design a flexible joint that could transmit and resist very high loads, in particular axial and torsional loads, but could bend to enable misalignments between connected parts. The properties conferred by the corrugated pro file and by the use of composite materials are herein highlighted. These peculiarities consist in high specifi c perfomances due to excellent mechanical properties against a very low weight and in a high flexibility of the whole element in the corrugation direction, maintaining the capability to carry loads in the transverse one. Several tests have been performed on this corrugated structure in order to ful fill different requirements. Firstly, its critical load must be higher than a requested buckling load to not get unstable in crash conditions. Then the bending compliance must be maximized since this structure should replace a mechanical gymbal which has a null bending stiffness. Lastly, the stress state in each ply must be studied and it has to be lower than precise admissible values de fined for the application. As a result of these analyses, once the main variables that strongly affect the behaviour of the structure have been identi fied, it is possible to act on them to fi nd a technologically feasible con guration that ful fills all the requirements.

La presente relazione di tesi ha il fine di analizzare ed evidenziare il potenziale delle strutture corrugate realizzate in materiale composito. In particolare, queste loro peculiarità sono sfruttate per la progettazione di un giunto corrugato che funge da collegamento tra motore e gearbox principale nel sistema di trasmissione di un elicottero. L'obiettivo è quello di resistere e trasmettere carichi molto alti, soprattutto assiali e torsionali, ma allo stesso tempo progettare la struttura in maniera che possa deflettersi, permettendo disallineamenti tra le sue estremità, senza però riportare danni o deformazioni permanenti. Per adempiere a questi obiettivi vengono utilizzate le caratteristiche del profi lo corrugato: queste, infatti, le permettono di resistere ad alti carichi ma, allo stesso tempo, di deformarsi lungo la direzione della corrugazione. Tra i vari requisiti che il giunto deve soddisfare, il primo consiste nell'avere un carico critico che sia superiore ad un carico di buckling de finito durante la fase di progettazione dell'intero velivolo: in condizioni di crash, la struttura deve lavorare senza instabilizzarsi per assorbire gran parte dell'energia legata all'impatto. Inoltre, lo stato di sforzo massimo all'interno di ogni singolo ply deve essere analizzato in modo tale che questo non superi i valori di sforzo massimi ammissibili, de finiti a seconda delle diverse condizioni di carico. In fine, test di flessione sono effettuati sulla struttura in modo da studiarne la rigidezza flessionale. Quest'ultima deve essere minimizzata poichè lo scopo di tale analisi è quello di sostituire un elemento meccanico che, essendo munito di un gymbal a due assi, ha una rigidezza flessionale nulla in tali direzioni. Inoltre, essendo il gymbal realizzato in metallo, la struttura risulta essere pesante: con l'utilizzo di materiali compositi tale parametro viene minimizzato. Dalle analisi preliminari effettuate su delle con figurazioni iniziali, vengono identi ficate le principali variabili che influiscono sulle proprietà strutturali dell'elemento. Queste sono variate fi no ad ottenere una confi gurazione che, oltre a rispettare tutti i requisiti di progetto, minimizzi il peso e la rigidezza a flessione del giunto. In fine, considerazioni tecnologiche verranno presentate e tenute in conto lungo il processo di progettazione dell'elemento strutturale in modo da rendere fattibile la sua manifattura.