Numerical analysis on a mechanical locking device for a tiltrotor wing movable surface

Wing rotor aerodynamic interaction in tiltrotor aircrafts is responsible for the loss of around 10% of the rotor thrust. To address this, Leonardo Helicopters Next Generation Civil Tiltrotor is equipped with a morphing wing: a movable surface that deflects in helicopter mode, reducing the wing's exposure to rotor downwash and minimizing download. In normal operation, two hydraulic servo-actuators control the surface position, ensuring desired stiffness. However, to comply with aviation rules, a backup system is needed for triple redundancy. Without backup, high-speed airplane mode could risk controllability and eventually flutter due to low stiffness in the connection. Leonardo Helicopters solution is a passive mechanical locking device that guarantees the desired connection stiffness independently to the hydraulic system status. This thesis describes the locking mechanism details, design process and constraints and the results of the analysis carried out. A Finite Element analysis and hands calculations identified the most stressed points and assessed the capability of the device to sustain the required loads. A Siemens Amesim model was implemented to simulate the functioning of the locking mechanism, to evaluate its performance and to optimize the design.

L'interazione aerodinamica tra l'ala e il rotore nei convertiplani è responsabile della perdita di circa il 10% della spinta del rotore. Per affrontare questo problema, il Next Generation Civil Tiltrotor di Leonardo è dotato di un'ala con una superficie mobile che si deflette quando il convertiplano vola in modalità elicottero, riducendo l'esposizione dell'ala al downwash del rotore e minimizzando il carico aerodinamico. Nel normale funzionamento due servoattuatori idraulici controllano la posizione della superficie garantendo la rigidezza desiderata. Tuttavia, per rispettare le normative aeronautiche, è necessario introdurre un sistema di backup per ottenere la tripla ridondanza. Senza un sistema di backup, in modalità aereo ad alta velocità si rischierebbe di compromettere la controllabilità e in ultimo il verificarsi del flutter dovuto alla bassa rigidezza della connessione. La soluzione proposta da Leonardo è un sistema di bloccaggio meccanico passivo che garantisce la rigidezza di connessione desiderata indipendentemente dallo stato del sistema idraulico. Questa tesi descrive i dettagli del meccanismo di bloccaggio, il processo di sviluppo, i suoi vincoli di progetto e i risultati degli studi svolti. Un'analisi ad elementi finiti e calcoli manuali hanno permesso di individuare i punti più sollecitati e verificare la capacità del dispositivo di sostenere i carichi richiesti. Un modello del meccanismo è stato implementato tramite il software Siemens Amesim allo scopo di simulare il suo funzionamento, valutare le prestazioni e ottimizzare il design, nell'ottica di future applicazioni.