Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA) : static and dynamic design of wing structure

With research activities started back in the Nineties, the goal includes a series of evolutive steps, aimed at improving the tiltrotor characteristics, in particular reducing weight and complexity and maximizing the performance. Leonardo Helicopters Division has explored further concepts, converging on a possible enhanced design, named Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA). The aim of this research project is to perform a preliminary structural design of the ATA’s wing, finding innovative approaches in a multi- disciplinary environment. In the research project will be presented all the main aspects of a preliminary structural design: requirements, design strategy and the methodologies used. Civil Aviation requirements have been taken as reference throughout the activities for what concerns strength and aeroelastic stability assessment. Moreover, other requirements are added, such as manufacturing and functional requirements, such as accessibility, assembly and integration. To obtain a preliminary configuration, a novel methodology based on semi-monocoque theory optimization has been developed. This methodology uses flight loads and specific constraints to minimize structural mass. This method is used inside a multi-disciplinary framework to also consider the aerodynamics and rotor drive line design requirements. Moreover, to respect also dynamic and aeroelastic requirements, a stick-beam model of the ATA is being developed at each design iteration to perform modal analysis and aeroelastic analysis coupled with a rotor model to assess whirlflutter stability margins. The latest design iteration is used to prepare a more refined Finite Element (FE) model, where a first validation activity for the method developed is performed, to show the validity of the method developed. Then, an optimization on the stacking sequence is performed.

Con attività di ricerca avviate già negli anni Novanta, l’obiettivo prevede una serie di percorsi evolutivi, volti a migliorare le caratteristiche del convertiplano, in particolare riducendo il peso e complessità e massimizzare le prestazioni. La Divisione Elicotteri di Leonardo ha esplorato ulteriori concetti, convergenti su un possibile design potenziato, denominato Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA). L’obiettivo di questo progetto di ricerca è quello di eseguire un design strutturale preliminare dell’ala dell’ATA, trovando approcci innovativi in un ambiente multidisciplinare. Nel progetto di ricerca saranno presentati tutti gli aspetti principali di un progetto strutturale preliminare: requisiti, strategia progettuale e metodologie utilizzate. Requisiti dell’aviazione civile sono stati presi come riferimento in tutte le attività per quanto riguarda criteri di resistenza e valutazione della stabilità aeroelastica. Inoltre, vengono aggiunti altri requisiti, come la produzione e requisiti funzionali, come accessibilità, assemblaggio e integrazione. Per ottenere una configurazione preliminare, una nuova metodologia basata sulla teoria del semiguscio, l’ottimizzazione è stata sviluppata. Questa metodologia utilizza carichi di volo e specifici vincoli per minimizzare la massa strutturale. Questo metodo è utilizzato all’interno di un multidisciplinare quadro per considerare anche l’aerodinamica e i requisiti di progettazione della linea di trasmissione del rotore. Inoltre, per rispettare anche i requisiti dinamici ed aeroelastici, un modello stick-beam dell’ATA viene sviluppato ad ogni iterazione del progetto per eseguire analisi modali e analisi aeroelastiche abbinate a un modello di rotore per valutare i margini di stabilità del whirlflutter. L’ultima iterazione del progetto viene svolta per preparare un modello agli elementi finiti (FE) più raffinato, dove viene eseguita una prima attività di validazione del metodo sviluppato, per mostrare i validità del metodo sviluppato, per poi concentrarsi sull’ottimizzazione della sequenza di impaccamento.