Design of a morphing winglet trailing edge based on fluid actuated morphing unit structures

In aeronautical industry the reduction of the fuel consumption is always researched to pollute less as well as to decrease the flight mission costs. Many solutions can be adopted, spacing from more efficient engines, less heavy structures to better aerodynamic performances. The purpose of the thesis is to focus on the use of a winglet morphing trailing edge based on fluid actuated unit structures (FAMoUS) made of elastomeric cells reinforced with constraining rings. The cells can elongate when pressurised, in order to improve aerodynamics in off design conditions and to reduce the structural mass thanks to the load alleviation capability. The conducted research regards investigations on the many geometry variables, such as the thicknesses of all the parts and constraining rings number, to find the most performing design mostly in terms of trailing edge deflection angle, but at the same time without neglecting maximum allowable stress values, free-stream exposed surfaces shape changes and easiness of manufacturing. Finite element analyses with three-dimensional structural and hydrostatic fluid elements are used to model the structural behaviour. The work firstly regards analyses on a single unit structure with all the variables parametrised, and then the design found to be the best has been included in more advanced and complete models with more cells. Throughout the project different methodologies have been used to face many problems related to the convergence of the results and to simplify high time consuming models, and, at the end, the design parameters, for the final model worthy to be manufactured, have been provided.

Nell'industria aeronautica per inquinare meno, oltre che abbattere i costi delle missioni di volo, si cerca sempre di ridurre il consumo di combustibile. Possono essere adottate molte soluzioni, esse spaziano da motori più efficienti, strutture meno pesanti a migliori prestazioni aerodinamiche. Lo scopo della tesi è di concentrarsi sull'uso di un bordo d'uscita morphing di una winglet basato sull'attuazione tramite fluido di unità strutturali (FAMoUS) fatte da celle elastomeriche rinforzate da anelli vincolanti. Le celle possono allungarsi se pressurizzate, in modo da migliorare l'aerodinamica in condizioni fuori progetto e ridurre la massa strutturale grazie alla capacità di alleviamento del carico. La ricerca condotta riguarda investigazioni sulle molteplici variabili geometriche, come gli spessori di tutte le parti e il numero degli anelli vincolanti, per trovare il design più performante soprattutto in termini di angolo di deflessione del bordo d'uscita, ma allo stesso tempo senza trascurare i massimi valori di sforzo permessi, cambiamenti della forma delle superfici esposte al flusso d'aria esterno e facilità nel processo di produzione. Per modellare il comportamento strutturale, sono state effettuate analisi agli elementi finiti con elementi tridimensionali della struttura ed elementi idrostatici del fluido. Il lavoro riguarda prima di tutto analisi su una singola unità strutturale con tutte le variabili parametrizzate, e poi il design trovato, corrispondente al migliore tra tutti, è stato incluso in un modello più avanzato e completo con più celle. Lungo tutta la tesi sono state usate metodologie diverse per affrontare i molti problemi relativi alla convergenza dei risultati e per semplificare i modelli che richiederebbero molto tempo per essere analizzati, e, alla fine, i parametri di design, per il modello finale degno di essere costruito, sono stati forniti.