Themo-mechanical performances of a NiTiNOL actuated aerodynamic morphing profile

The scope of the following work of thesis is to provide an exhaustive analysis, both under the mechanical and thermal point of view, on performances and efficiency of a morphing structure actuated by using Shape Memory Alloys wires for aeronautical applications. The general configuration which guides the design of this morphing application is based on a structural layout where an internal twin composite corrugated laminate, joint with a carbon fiber plate is actuated and deflected via a series of Shape Memory Alloy wires embedded in corrugated mid-plane, shaping a novel design for actuated aircraft control and high-lift surfaces. This work is focused on the performance analysis of this configuration, in a first step formulating a complete analytical model, comprehensive of structural stiffness and aerodynamic pressure effect predictions, from which precise actuator's stresses are derived. These stresses are computed in order to verify the feasibility of different operational requirements w.r.t. actuation power required. This analytical model, produced and validated comparing it to numerical and experimental results, allows a rapid assessment of the way different materials and geometries can influence the studied configuration. Furthermore, it has been used to investigate the possible application of the morphing profile as part of a variable-geometry automotive diffuser. The outcomes of this first phase lead to the research for a more precise understanding of actuation power requirements and thermal stresses derived from It. For this purpose a numerical thermal model of NiTi wires is created in comparison with experimental results from literature. In a second step the numerical model of wires is used to create a complete morphing structure's thermal numerical model capable of deriving a complete temperature distribution, considering heat transfer related to wires actuation,air-cooling convection and radiation effects. This complete thermal model is then calibrated experimentally employing thermocouples in specific locations of the morphing demonstrator. From these consolidated results, a numerical thermal-mechanical sequential analysis is set, providing a way of comparison w.r.t. morphing deflection dynamic of the experimental demonstrator. The validated sequential model is used to investigate the feasibility of a new wires actuation input represented by an high temperature airflow passing through corrugated cells. This new solution could ultimately help in the reduction of electrical power required for structure's actuation. Finally,this work of thesis shows how, starting from models validated by experimental data, a wider knowledge of morphing structures capabilities can be reached, expanding their operating field for aerospace exploits.

l'obiettivo del seguente lavoro di tesi è quello di presentare una esaustiva analisi, sia dal punto di vista meccanico che termico, sulle capacità e l'efficienza di una struttura morphing attuata usando un set di fili in lega a memoria di forma per applicazione aereonautiche. La configurazione generale che guida la progettazione di questa applicazione morphing si basa su una struttura dove un doppio composito corrugato, solidale con una piastra di composito è attivato e deflesso attraverso una serie di fili in lega a memoria di forma anch'essi resi solidali nel piano medio geometrico della struttura al doppio corrugato, determinando così una configurazione innovativa per superici di controllo aeronautiche. Questo lavoro si focalizza sull'analisi delle performance di tale configurazione, formulando, in un primo stadio, un modello analitico completo, comprendente previsioni dell'andamento della rigidezza strutturale e dell'effetto del campo di pressioni aerodinamico, da cui è possibile ricavare un valore preciso degli sforzi a cui il meccanismo attuatore è sottoposto. Questi sforzi sono calcolati in modo tale da verificare la fattibilità di diversi requisiti operativi tenendo conto della potenza richiesta per l'attuazione. Questo modello analitico, realizzato e validato comparando i risultati con quelli ottenuti dalle prove numeriche e sperimentali, permette di osservare in maniera rapida il modo in cui differenti geometrie e materiali impiegati possano influire sulla configurazione studiata. La sua efficacia è stata infine testata per studiare la possibile applicazione del profilo morphing come diffusore a geometria variabile in ambito automobilistico. I risultati derivanti da questa prima fase hanno portato alla ricerca per una maggior comprensione dei requisiti dettati dalla potenza di attuazione e gli sforzi termici che ne derivano. Per questo motivo, un modello numerico termico dei fili attuatori in lega NiTi è sviluppato in comparazione con risultati sperimentali da letteratura. Questo modello numerico dei fili è inserito, in un secondo momento, in un modello termico completo della configurazione morphing capace di ottenere il campo di temperature in ogni componente, considerando l'effetto del calore determinato dall'attuazione dei fili e dissipato dagli effetti di convezione naturale e irraggiamento. Questo modello termico completo è quindi calibrato sperimentalmente mediante l'impiego in posizioni specifiche di termocoppie sul dimostratore morphing. Da questi risultati consolidati è realizzato un modello numerico termo-meccanico sequenziale, un mezzo di comparazione con il dimostratore sperimentale sotto il punto di vista della dinamica di deflessione. Questo modello sequenziale è usato per verificare il potenziale di una modalità di attuazione dei fili SMA rappresentato da il passaggio di una corrente di aria ad alta temperatura nei canali del corrugato. Questa soluzione potrebbe, in definitiva, permettere una riduzione della potenza elettrica necessaria per una completa attuazione della struttura. Questo lavoro di tesi, in definitiva, mostra come, partendo da modelli validati e consolidati da dati sperimentali, sia possibile ottenere una più ampia conoscenza delle capacità delle strutture morphing, espandendo il loro impiego in campo aerospaziale per future applicazioni.