From steel to aramid: a material substitution approach for tension-torsion strap

The tension–torsion strap is a critical component in rotorcraft, connecting the main rotor hub to the blades while simultaneously transmitting axial loads and accommodating pitch motion. Traditional tension–torsion straps are made of high-strength steel alloys such as AISI 4330V, which combine reliability and stiffness but suffer from corrosion and fatigue degradation when encapsulated within polymeric coatings. This issue has historically caused in-flight failures and maintenance challenges, motivating the search for lighter and more durable alternatives. This thesis investigates the feasibility of replacing steel wires with aramid fibers embedded in a polyurethane matrix to develop an advanced composite strap for mid-size unmanned rotorcraft. The research integrates analytical modelling, finite-element simulations, and material characterization to compare mechanical performance, manufacturability, and cost-effectiveness between steel and Kevlar designs. The design process included the definition of the strap geometry through the introduction of various parameters to optimize torsional stiffness and axial compliance, the evaluation of pin–lug interaction via static and fatigue criteria, and a 3D finite-element analysis to validate stress distribution under operational loads. Results show that although Kevlar exhibits lower stiffness, its enables a substantial weight reduction and enhanced fatigue endurance, translating into improved life-cycle performance. The main limitations are related to manufacturing precision—particularly impregnation quality, vulcanization control, and repairability—but these can be mitigated through optimized resin transfer molding processes. Overall, the study demonstrates that Kevlar-based tension-torsion straps offer a technically viable and forward-looking alternative for next-generation UAV rotor systems, reducing weight and maintenance costs without compromising safety. Further experimental validation is recommended to characterize long-term fatigue behaviour and refine process parameters for industrial implementation.

La cinghia di tensione-torsione (tension–torsion) è un componente fondamentale negli elicotteri, poiché collega il mozzo del rotore principale alle pale, trasmettendo contemporaneamente i carichi assiali e compensando il movimento di beccheggio. Le tradizionali cinghie sono realizzate in leghe di acciaio ad alta resistenza come l'AISI 4330V, che combinano affidabilità e rigidità, ma sono soggette a corrosione e degrado dovuto alla fatica quando incapsulate in rivestimenti polimerici. Questo problema ha storicamente causato guasti in volo e difficoltà di manutenzione, motivando la ricerca di alternative più leggere e durevoli. Questa tesi indaga la fattibilità della sostituzione dei fili di acciaio con fibre aramidiche incorporate in una matrice poliuretanica per sviluppare una cinghia composita avanzata per elicotteri senza pilota di medie dimensioni. La ricerca integra modellazione analitica, simulazioni agli elementi finiti e caratterizzazione dei materiali per confrontare le prestazioni meccaniche, la producibilità e l'economicità tra progetti in acciaio e Kevlar. Il processo di progettazione ha incluso la definizione della geometria della cinghia mediante l'introduzione di vari parametri per ottimizzare la rigidità torsionale e la conformità assiale, la valutazione dell'interazione perno-aletta tramite criteri statici e di fatica e un'analisi 3D agli elementi finiti per convalidare la distribuzione delle sollecitazioni sotto carichi operativi. I risultati mostrano che, sebbene il Kevlar presenti una rigidità inferiore, consente una riduzione del peso sostanziale e una maggiore resistenza alla fatica, che si traduce in prestazioni migliorate durante l'intero ciclo di vita. Le principali limitazioni sono legate alla precisione di produzione, in particolare alla qualità dell'impregnazione, al controllo della vulcanizzazione e alla riparabilità, ma possono essere mitigate attraverso processi di stampaggio a trasferimento di resina ottimizzati. Nel complesso, lo studio dimostra che le cinghie in Kevlar offrono un'alternativa tecnicamente valida e lungimirante per i sistemi rotorici dei droni di nuova generazione, riducendo il peso e i costi di manutenzione senza compromettere la sicurezza. Si raccomanda un'ulteriore validazione sperimentale per caratterizzare il comportamento a fatica a lungo termine e perfezionare i parametri di processo per l'implementazione industriale.