Design and manufacturing of an innovative flexible joint for a heavy-duty application

This thesis is focused on the design and manufacturing of an innovative corrugated flexible joint, constituted of composite and metallic material, for helicopter application: the component is located between the engine and the transmission and must withstand torsional, axial and bending loads in its operative conditions. The composite corrugated panels allow the component to have excellent mechanical properties and a very low weight, with the capability of sustaining significant deformation without damages. The thesis started with a promising configuration and developed a series of numerical, technological and experimental activities to translate the design hypothesis into a real innovative structure, which has to satisfy severe and conflicting requirements, considering the material allowables certified by an industrial qualification process. The detailed design was accomplished always taking into account the feasibility of the technological process, which, at the end, was defined and applied until the final production of a prototype, which was successfully tested. The manufacturing phase has presented some critical steps, requiring some minor design changes and workaround procedures. To further prove the capabilities of the proposed design, a nonlinear, dynamic explicit analysis of an impact has been performed, showing that the component is able to vastly satisfy the requirements. The work demonstrates the possibility to produce a joint capable of compensating relative rotations due to its flexibility while sustaining considerable loads in the other directions, exploiting its capability to separate the load paths due to the particular choice of geometry and materials.

La presente tesi si concentra sul progetto e la produzione di un innovativo giunto flessibile, in composito e leghe metalliche, per applicazioni elicotteristiche: il componente, montato tra il motore e la trasmissione, deve sopportare carichi torsionali, assiali e di flessione durante la sua vita operativa. I pannelli corrugati in materiale composito permettono al componente di avere eccellenti proprietà meccaniche con un peso ridotto e di sostenere grandi deformazioni senza incorrere in danni strutturali. Il lavoro parte da una promettente configurazione iniziale e ed è stato ampliato con una serie di attività numeriche, sperimentali e tecnologiche per sviluppare le ipotesi di design iniziali e tradurle in una struttura innovativa, che deve soddisfare criteri severi e contrastanti, considerando gli sforzi ammissibili dei materiali, certificati da una procedura industriale. Il progetto di dettaglio è stato realizzato prestando attenzione alla fattibilità del processo tecnologico, che è stato definito e applicato per arrivare alla produzione di un prototipo, successivamente testato con risultati accettabili. La fase di produzione ha mostrato alcune criticità, che hanno richiesto delle leggere modifiche rispetto al progetto o soluzioni alternative a quelle preventivate. Per provare ulteriormente le capacità del design proposto, un'analisi dinamica nonlineare è stata effettuata, con risultati che dimostrano la resistenza del componente a sollecitazioni ampiamente maggiori dei valori richiesti. Il lavoro, pertanto, dimostra come sia possibile realizzare un giunto in grado di compensare rotazioni relative grazie alla propria flessibilità e, al tempo stesso, di sostenere carichi ragguardevoli nelle altre direzioni, sfruttando la possibilità di separare i percorsi di carico, grazie alla scelta di particolari geometrie e materiali.