Design of a composite flexible transmission shaft

This thesis work is aimed to study the feasibility of an innovative solution for the torque transmission to the helicopter’s tail rotor. More in detail, it has been designed a flexible joint made of composite material which replaces the traditional gear transmission system. This is possible thanks to the geometry of the joint which exploits the corrugation technology. The purpose of this project is to find the geometry, dimensions and the most suitable materials for this application. This is done thanks to an automatic analysis procedure made in a previous thesis work: it consist of “Matlab” scripts which produce “SIMULIA Abaqus” input files. Once many configurations have been analyzed some promising solutions were selected for a deeper investigation. The main solicitations acting on the joint are torsion, coming from the torque, and bending. The latter is due to the relative inclination between the two shaft axes. The solution must comply with the torsional stability requirements and with the allowable stresses coming from the loads. Despite the linearity of the analyses, it is took into account for the fatigue problem by halving all the allowable stresses. Moreover, since the novelty of the component, some technological trials have been carried out. Once the component has been made, its mechanical features have been analyzed by means of tensile strength tests. These tests are extremely important because of the criticality of the joint. Thanks to the tests it have been possible to correlate the numerical with the experimental results. Two solutions comply with the project’s requirements. The first solution is made of glass fiber reinforced and the second one is hybrid and is made of titanium alloy coupled with glass fiber reinforced. The latter seems to be the most suitable material. The corrugation dimension takes into account for the technological and inspectability issues: the corrugation pitch allows the inspection of the component and it makes production easier. During the manufacturing some issues related to the resin distribution have been faced. Another problem comes from the lamination of the plies over the complex geometry of the mandrel. Once the final component has been produced, some specimens were cut from it and they were subjected to a tensile strength test. At the same time, a numerical model of the specimen has been realized to compare the results. The test results shows that the component brakes because of the delamination, moreover, the gap between numerical and experimental model is mainly due to the actual resin distribution and to the uncertain thickness of the plies.

Questo lavoro di tesi è volto a studiare la fattibilità di una soluzione innovativa per la trasmissione al rotore di coda di un elicottero. In particolare si è voluto progettare un giunto flessibile in materiale composito che riuscisse a sostituire l’attuale sistema di trasmissione a ingranaggi. Questo è reso possibile grazie alla particolare geometria del giunto, si tratta infatti di un componente che sfrutta la tecnologia dei corrugati. Lo scopo del progetto è quello di trovare la geometria, le dimensioni e il materiale più adatto per questo tipo di applicazione. Tale obiettivo è stato raggiunto per via numerica grazie ad una sequenza automatica di analisi realizzata in un precedente lavoro di tesi: essa si compone di script “Matlab” che generano dei file di input per “SIMULIA Abaqus”. Una volta analizzate diverse configurazioni ci si è concentrati sulle più promettenti per un progetto più dettagliato. Le principali sollecitazioni agenti sul giunto sono la torsione, dovuta alla coppia da trasmettere al rotore di coda, e la flessione, dovuta al fatto che il componente deve trasmettere il moto tra due alberi inclinati tra loro. Sarà quindi necessario che la soluzione rispetti i requisiti di stabilità torsionale e di resistenza agli sforzi dovuti ai carichi. Nonostante le analisi svolte siano di tipo lineare è stato tenuto in considerazione il problema della fatica dimezzando gli sforzi ammissibili dei materiali. Inoltre, trattandosi di un componente innovativo, si sono voluti studiare i problemi derivanti dall’aspetto tecnologico, ovvero provenienti dalla realizzazione del componente. Una volta realizzato il pezzo ne verranno analizzate le caratteristiche meccaniche mediante delle prove di trazione. Tale operazione è di fondamentale importanza data la criticità del giunto. Grazie alla fase di test sarà possibile correlare il modello numerico con i risultati sperimentali e capire i motivi delle discrepanze tra i due. Sono state trovate due soluzioni che rispettano i requisiti di progetto. La prima soluzione è realizzata in fibra di vetro mentre la seconda è ibrida e prevede l’accoppiamento della lega di titanio con la fibra di vetro. Quest’ultima sembra essere il materiale che più si adatta al tipo di applicazione. La dimensione delle corrugazioni tiene conto dei problemi tecnologici e di ispezionabilità: esse sono sufficientemente distanziate da permettere il monitoraggio dell’integrità strutturale e una più agevole realizzazione. Si sono riscontrati alcuni problemi durante la fase di produzione del componente quali la distribuzione di resina e la difficoltà nel disporre le lamine su una geometria così complessa. Il risultato dell’attività è stato positivo e ha permesso la fase di test. Dal laminato finito sono stati estratti dei provini per sottoporli a delle prove di trazione, parallelamente è stato sviluppato un modello numerico del provino, necessario per la correlazione dei risultati. Dalla fase di test è emerso che il componente si rompe per delaminazione, inoltre, la discrepanza tra modello numerico e sperimentale è da imputare principalmente alla distribuzione effettiva di resina e all’incertezza sugli spessori delle singole lamine.