Sizing of a main gear box suspension structure made from composite materials

The thesis project aims to size a structural component of helicopter main gear box suspension system by exploiting composite materials. In particular, the object of the thesis is the vertical strut carrying high static and dynamic loads during aircraft operation. The reference helicopter for constraints and requirements is the exemplary Airbus Helicopters H135 (former name Eurocopter EC135) in current P3/T3 configuration. The pursued solution is quite innovative in its scope as current designs of equivalent structure are not made of composite materials. Therefore, this paper analyses the sizing and the substantiation of a composite material component, investigating in detail the peculiarity and potential challenges associated with the selected design. The component must comply with EASA certification specification for small rotorcraft (CS-27). The methodology for determining the dimensions of the strut incorporates both analytical and numerical approaches, depending on the available data for different parts of the design and the reliability of the underlying calculations. Static and fatigue substantiations are conducted for the strut. Dealing with composite materials, the modelling of the part for FEM analysis is crucial and it is strictly linked with the manufacturing technology. Accordingly, the chosen production method, namely RTM (Resin Transfer Moulding) technology, has a huge impact on the development of the analysis. Hence, it is massively studied. Both 2D and 3D models are developed to better understand the behaviour of the composite material within the context of the specific manufacturing process. Buckling and modal analyses are performed to assess the component's structural integrity. The resulting strut is evaluated in term of cost and performance, comparing the outcomes with equivalent structures made of other materials. Results and final considerations lead to possibly future developments of the project.

Il progetto di tesi ha come obiettivo il dimensionamento di un componente strutturale del sistema di sospensione della scatola del cambio principale di un elicottero, mediante l'impiego di materiali compositi. In particolare, l'oggetto della tesi riguarda il montante verticale, il quale è sottoposto a carichi statici e dinamici di elevata entità durante il funzionamento dell'aeromobile. L'elicottero di riferimento per i vincoli e i requisiti progettuali è l'esemplare Airbus Helicopters H135 (nome precedente Eurocopter EC135) nell’attuale configurazione P3/T3. La soluzione proposta risulta particolarmente innovativa, poiché le strutture equivalenti attualmente presenti non prevedono l'utilizzo di materiali compositi. Pertanto, il presente lavoro si propone di analizzare il dimensionamento e le verifiche strutturali di un componente realizzato in materiale composito, approfondendo le peculiarità e le criticità del design scelto. Il componente dovrà soddisfare i requisiti di certificazione EASA per velivoli a rotore di piccole dimensioni (CS-27). La metodologia adottata per il dimensionamento della struttura prevede l'utilizzo sia di analisi analitiche che numeriche, a seconda dei dati disponibili per le diverse aree del componente, nonché delle considerazioni relative all'affidabilità dei calcoli. Le verifiche statiche e a fatica sono effettuate per la validazione del componente. Per quanto riguarda i materiali compositi, la modellazione della struttura per l'analisi agli elementi finiti (FEM) riveste un'importanza cruciale ed è strettamente legata alla tecnologia di produzione. Di conseguenza, il processo produttivo selezionato, ossia la tecnologia RTM (Resin Transfer Moulding), esercita un impatto significativo sull'intero sviluppo dell'analisi, motivo per cui è stato oggetto di uno studio approfondito. Sono realizzati modelli sia 2D che 3D per l'analisi dei materiali compositi, al fine di migliorare la comprensione del comportamento del componente per lo specifico metodo produttivo. Sono inoltre condotte analisi di instabilità (buckling) e analisi modali. La struttura risultante è infine valutata in termini di costi e prestazioni, confrontando i risultati con quelli di strutture equivalenti realizzate con altri materiali (principalmente metallici). I risultati ottenuti e le considerazioni finali conducono a possibili sviluppi futuri del progetto.