Control of panel stiffness through inflatable elements

Inflatable structures provide a lightweight and easy solution in several applications, due to their ability to gain stiffness when inflated. These structures function by using internal pressure to tension a flexible membrane, transforming a compact material into a rigid, load-bearing shape. In this thesis, first, an inflatable tube is modeled and finite element analyses are conducted to investigate the response to bending and compressive loads. Inflatable tubes are then implemented as reinforcing elements in a composite panel and an investigation on its load response is conducted. The panel is reinforced by either one or three inflatable tubes, arranged in horizontal or diagonal configurations, and is subjected to compression and shear loading. Overall, the inflatable tubes improve the stiffness of the panel. The results show that, for a panel reinforced with three tubes and compressed along the tubes direction, the load bearing capabilities increase up to 60.9% at 0.20 MPa inflation pressure; in shear analyses, the inflatable elements provide improvements up to 57.1%. Additional analyses investigate the effect of regulating the pressure during the loading process or when the panel is in a pre-loaded state. In both cases, varying the inflation pressure of the tubes can successfully control the stiffness of the panel. Furthermore, an example of implementation of inflatable elements as actuator an adaptive flap is presented. The actuator, consisting of a composite panel reinforced by three inflatable tubes, is compressed on the trailing edge by pre-strained rubber flap surfaces. When the inflatable tubes are pressurized, they introduce an additional compressive force on the panel that initiates the buckling of the actuator, rotating the flap. The pre-strain of the flap surfaces is found using a semi-analytical model, developed around the equilibrium equations on the trailing edge when the flap is totally deployed and totally retracted. A numerical analysis on the deployment of the adaptive flap is conducted and a 9.95° trailing edge angle variation is obtained with an inflation pressure of 0.50 MPa

Le strutture gonfiabili offrono una soluzione leggera e facile da implementare in diverse applicazioni, grazie alla loro capacità di acquisire rigidezza quando gonfiate. Queste strutture funzionano utilizzando la pressione interna per tendere una membrana flessibile, trasformando un materiale compatto in una forma rigida e portante. In questa tesi, inizialmente, un tubo gonfiabile viene modellato e vengono condotte analisi agli elementi finiti per studiarne la risposta a carichi di flessione e compressione. I tubi gonfiabili vengono quindi implementati come elementi di rinforzo in un pannello in composito e viene studiata la sua risposta al carico. Il pannello è rinforzato da uno o tre tubi gonfiabili, disposti in configurazioni orizzontali o diagonali, ed è sottoposto a carichi di compressione e taglio. Nel complesso, i tubi gonfiabili aumentano la rigidezza del pannello. I risultati mostrano che, per un pannello rinforzato con tre tubi e compresso lungo la direzione dei tubi, il carico massimo aumenta fino al 60.9% con una pressione interna di 0.20 MPa; nelle analisi di taglio, gli elementi gonfiabili forniscono miglioramenti fino al 57.1%. Ulteriori analisi indagano l’effetto della regolazione di pressione durante il processo di carico o quando il pannello è in stato di precarico. In entrambi i casi, la variazione della pressione interna dei tubi può controllare la rigidezza del pannello. Inoltre, viene riportato un esempio di implementazione di elementi gonfiabili in un attuatore per dispiegare un flap flessibile. L’attuatore, costituito da un pannello composito rinforzato da tre tubi gonfiabili, viene compresso sul bordo d’uscita dalle superfici in gomma pre-deformate del flap. Quando i tubi gonfiabili vengono pressurizzati, introducono una forza di compressione aggiuntiva sul pannello che innesca il buckling dell’attuatore, dispiegando il flap. La pre-deformazione delle superfici del flap viene calcolata utilizzando un modello semi-analitico, sviluppato attorno alle equazioni di equilibrio sul bordo d’uscita quando il flap è completamente dispiegato e completamente retratto. Infine, un’analisi ad elementi finiti è condotta per studiare il dispiegamento del flap e mostra una variazione dell’angolo del bordo d’uscita di 9.95°, con una pressione di gonfiaggio di 0.50 MPa.