Design and optimization of a full scale morphing droop nose based on compliant structure

Morphing devices for aircraft wings represent a promising technology to enhance performance and improve fuel efficiency by enabling the achievement of more aerodynamically efficient aircraft. The design of morphing wings is influenced by many factors, such as aerodynamic and structural requirements, which make it a challenging problem. Therefore, optimization analysis, which can satisfy various requirements simultaneously, is one of the most effective tools for developing optimal solutions for morphing devices. In this study, an optimization procedure previously applied in various projects is adapted for a new project. The goal is to validate the reliability of this method and propose a supporting methodology for designing morphing droop nose devices based on compliant structures. This methodology allows for adaptability to different materials and geometries. Through this approach, the study aims to enhance the design flexibility of morphing wing components tailored to specific performance requirements. The integration of a mathematical toolbox with a finite element solver provides an automated optimization process. Starting from existing topologies, morphing droop nose designs have been developed to be installed on a reference regional aircraft. Additionally, an aluminum-composite compliant rib was used as an alternative to all-aluminum internal structures. Two main droop nose designs have been developed, evaluating different configurations and materials. Finally, the obtained results have been compared, considering the requirements, to determine the most optimal design.

I dispositivi morphing per le ali dei velivoli rappresentano una tecnologia promettente per aumentare la prestazione e migliorare l’efficienza dei consumi, consentendo di ottenere velivoli aerodinamicamente più efficienti. Il progetto delle ali morphing è influenzato da molti fattori, come i requisiti aerodinamici e strutturali, e ciò lo rende un problema complesso. Pertanto, l’analisi di ottimizzazione, che può soddisfare simultaneamente diversi requisiti, è uno degli strumenti più efficaci per sviluppare soluzioni ottime per dispositivi morphing. In questo studio, una procedura di ottimizzazione precedentemente usata in diversi progetti è adottata in un nuovo progetto, allo scopo di validare l’affidabilità del metodo e di proporre una metodologia che supporta il progetto di dispositivi droop nose morphing basati su strutture flessibili, consentendo l’adattamento a diversi materiali e geometrie. L’integrazione di un ambiente computazionale con un solutore ad elementi finiti fornisce un processo di ottimizzazione automatizzato. Partendo da topologie esistenti, progetti di droop nose morphing sono stati sviluppati per essere installati su un velivolo regionale di riferimento. Inoltre, una centina flessibile realizzata in alluminio-composito è stata utilizzata in alternativa a una struttura interna interamente in alluminio. Due principali progetti di droop nose sono stati realizzati, valutando diverse configurazioni e materiali. Infine, i risultati ottenuti sono stati confrontati, tenendo conto dei requisiti, per determinare il progetto ottimale.