Aeroelastic stability assessment of an innovative morphing aileron and comparison with conventional aileron

This thesis investigates the aeroelastic stability, in particular flutter characteristics, of a morphing aileron, comparing its performance with a conventional hinged aileron. The morphing aileron device is crafted in the context of sustainable aviation initiatives aimed at designing a more efficient medium-range regional aircraft with high aspect ratio wing. The morphing aileron is designed to optimize aerodynamic efficiency and reduce drag. However, it introduces structural flexibility and actuation complexities that influence flutter behavior: these are investigated employing numerical aeroelastic analysis instruments to assess stability under varying conditions. A comprehensive aerostructural model of the full aircraft is developed in Simcenter Femap, with MSC NASTRAN used for modal and flutter analysis through the PK method. The study evaluates the impact of morphing aileron stiffness on flutter velocity, demonstrating that lower stiffness levels lead to reduced flutter speeds due to increased coupling effects with the wing structure. Moreover, flutter behavior is compared with a conventional hinged solution. Finally, a parametric sensitivity analysis is conducted to quantify the influence of different actuation stiffness values on flutter onset. Results presented in this thesis may provide valuable insights for the design and implementation of next-generation morphing control surfaces. Considering the impact of aeroelastic assessment in design phases, the findings could contribute to the advancement of adaptive aerodynamic technologies and inform future aircraft design strategies aiming for improved efficiency and performance.

Questa tesi si pone l’obiettivo di valutare la stabilità aeroelastica, e in particolare le caratteristiche di flutter, di un alettone deformabile, confrontando le sue prestazioni con quelle di un alettone convenzionale a cerniera rigida. Il dispositivo dell'alettone deformabile è progettato nel contesto di iniziative di aviazione sostenibile mirate a progettare un aereo regionale a medio raggio più efficiente, con un'ala ad alto allungamento alare. L'alettone deformabile è progettato per ottimizzare l'efficienza aerodinamica e ridurre la resistenza. Tuttavia, introduce flessibilità strutturale e complessità di attuazione che influenzano il comportamento del flutter: questi aspetti vengono analizzati utilizzando strumenti di analisi aeroelastica numerica per valutare la stabilità in diverse condizioni. Un modello aero-strutturale completo dell'intero aereo è sviluppato in Simcenter Femap, con MSC NASTRAN utilizzato per l'analisi modale e del flutter attraverso il metodo PK. Lo studio valuta l'impatto della rigidità dell'alettone deformabile sulla velocità di flutter, dimostrando che livelli di rigidità inferiori portano a velocità di flutter ridotte a causa di effetti di accoppiamento aumentati con la struttura dell'ala. Inoltre, il comportamento del flutter è confrontato con una soluzione convenzionale a cerniera. Infine, viene condotta un'analisi di sensibilità parametrica per quantificare l'influenza di diversi valori di rigidità di attuazione sull'insorgere del flutter. I risultati presentati in questa tesi potrebbero fornire preziose informazioni per la progettazione e l'implementazione di superfici di controllo deformabili di nuova generazione. Considerando l'impatto della valutazione aeroelastica nelle fasi di progettazione, i risultati potrebbero contribuire all'avanzamento delle tecnologie aerodinamiche adattive e informare le future strategie di design in ambito aeronautico, mirando a migliorare l'efficienza e le prestazioni.