Investigation of a variable pressure controlled sandwich panel

In recent years, there has been a significant increase in the aeronautical industry’s use of structures with morphing properties. This thesis presents the initial development phase of a sandwich panel whose stiffness is actively controlled by managing internal pressure. The structure comprises two outer skins made of aluminium alloy and an internal air-filled and pressurised pocket. The variation between internal and external atmospheric pressure determines the alteration in the stiffness of the structure, making it more or less rigid as required. Furthermore, the internal pressure generates a force that induces deformation in the panel. By controlling the internal pressure, greater or lesser deformations exhibiting morphing properties can be achieved. The thesis initially addresses the study by introducing an analytical model that considers the internal air pocket as an independent panel, treating it as a novel material. This analytical model enables the determination of the mechanical characteristics of this panel based on internal pressure, providing an accurate description of the stiffening effect caused by the air pocket. Furthermore, it facilitates the creation of a finite element model without the need to analyse the interaction between the pressurised air pocket and the aluminium alloy walls. Indeed, by assigning the mechanical properties found through the analytical model of the panel, it is possible to represent the air pocket’s behaviour adequately. Subsequently, a representative finite element model of the sandwich panel is presented, including the two outer aluminium alloy skins and the pressurised air pocket inside. The air pocket is modelled as a panel with mechanical properties determined by the analytical model. The contribution of stiffening by the internal air pocket is evaluated through two lines of analysis. The first pertains to tensile analysis, studying how internal pressure stiffens the panel under this condition. These analyses also allow us to appreciate the deformation that internal pressure induces on the panel, exhibiting morphing properties. The second involves compression instability tests, investigating how internal pressure influences the critical load.

Negli ultimi anni, c’è stato un significativo aumento dell’impiego di strutture con proprietà di morphing nell’industria aeronautica. Questa tesi presenta la fase iniziale di sviluppo di un pannello sandwich la cui rigidezza è soggetta a controllo attivo mediante la gestione della pressione interna. La struttura in questione è composta da due pannelli esterni in lega di alluminio e una sacca interna riempita d’aria e pressurizzata. La variazione tra la pressione interna e quella dell’atmosfera esterna determina l’alterazione della rigidezza della struttura, rendendola più o meno rigida a seconda delle esigenze. Inoltre, la pressione interna genera una forza che determina una deformazione sul pannello. Controllando la pressione interna è possibile ottenere deformazioni maggiori o minori, esibendo proprietà di morphing. La tesi affronta inizialmente lo studio mediante l’introduzione di un modello analitico che considera la sacca interna d’aria come un pannello indipendente, trattandola come un materiale nuovo. Questo modello analitico consente di determinare le caratteristiche meccaniche di tale pannello in funzione della pressione interna, fornendo così una descrizione accurata dell’effetto di irrigidimento provocato dalla sacca d’aria. Inoltre, agevola la creazione di un modello ad elementi finiti senza la necessità di analizzare l’interazione tra la sacca pressurizzata e le pareti in alluminio. Infatti, assegnando le proprietà meccaniche del pannello trovate mediante il modello analitico, è possibile rappresentare adeguatamente il comportamento della sacca d’aria. Successivamente, viene presentato un modello ad elementi finiti rappresentativo del pannello sandwich, comprendente i due pannelli esterni in alluminio e la sacca d’aria pressurizzata all’interno. La sacca d’aria è modellata come un pannello con le proprietà meccaniche determinate dal modello analitico. Il contributo di irrigidimento della sacca di aria interna viene valutato mediante due filoni di analisi. Il primo riguarda analisi a trazione, e studia come la pressione interna irrigidisce il pannello in questa condizione. Queste analisi permettono inoltre di apprezzare la deformazione che la pressione interna determina sul pannello, esibendo proprietà di morphing. Il secondo riguarda prove a instabilità a compressione, e studia come la pressione interna influisce sul carico critico.