Feasibility study of energy-absorbing auxetic beams for rotorcraft subfloors

Evolving rotorcraft safety standards demand lightweight, crashworthy structures. In this context, the subfloor is a structural component that is critical for dissipating kinetic energy during impacts. To enhance its protective capabilities, auxetic metamaterials, such as re-entrant honeycombs, offer extraordinary energy absorption through their negative Poisson's ratio and foam synergy: by drawing material inward to densify locally, they ensure a stable, progressive crushing mechanism. This thesis aims to optimize foam-filled aluminum re-entrant honeycombs as energy-absorbing subfloor components. Objectives include elastic characterization (focusing on Poisson's ratios and in-plane shear modulus), weight minimization, physical prototyping, and developing an experimentally validated Finite Element Model (FEM) for non-linear crash dynamics. Analyses revealed a critical trade-off: foam-filled auxetic honeycombs excel in compression but lack the shear stiffness for structural roles. Conversely, applying continuous aluminum skins resolves shear compliance but transmits lethal peak forces. To bridge this gap, a novel 45° aluminum grid configuration was developed. This intermediate solution elevates shear resistance while preserving auxetic behavior. Dynamic simulations highlighted its exceptional potential in managing localized impacts, yielding Specific Energy Absorption (SEA) values significantly higher than global crushing. Finally, full-scale Anthropomorphic Test Device (ATD) simulations proved the auxetic foam-filled subfloor ensures survivability on both flat and uneven surfaces. The grid-stiffened variant, while slightly exceeding safety thresholds during uniform flat drops, surprisingly maintains survivable accelerations under severe asymmetric loads, confirming auxetic effectiveness in localized impacts and laying a robust foundation for future implementations.

La continua evoluzione della sicurezza elicotteristica richiede soluzioni capaci di bilanciare leggerezza e alta resistenza all'impatto (crashworthiness). In tale contesto, il sottopavimento è cruciale per dissipare l'energia cinetica. I metamateriali cellulari, come i nidi d'ape rientranti, offrono uno straordinario assorbimento d'energia grazie al coefficiente di Poisson negativo e alla sinergia con schiume polimeriche: richiamando materiale verso l'interno e densificandosi localmente, garantiscono infatti uno schiacciamento stabile e progressivo. Questa tesi vuole ottimizzare nidi d'ape rientranti in alluminio riempiti con schiuma poliuretanica, valutandone l'integrazione come assorbitori nel sottopavimento. Gli obiettivi includono: caratterizzazione elastica (focus sui coefficienti di Poisson e modulo di taglio nel piano), minimizzazione del peso, prototipazione fisica e crash test, sviluppo di un modello FEM validato sperimentalmente per simulare crash non lineari. Le analisi statiche e dinamiche hanno evidenziato un compromesso critico: i nidi d'ape auxetici, pur eccellendo in compressione, risultano troppo cedevoli a taglio per ruoli strutturali. Viceversa, l'applicazione di pelli continue in alluminio risolve tale cedevolezza ma penalizza la crashworthiness, trasmettendo picchi di forza letali. Per superare questo limite, è stata sviluppata un'innovativa griglia in alluminio a 45°: una soluzione intermedia capace di fornire il vincolo geometrico necessario ad aumentare la resistenza a taglio, preservando al contempo il comportamento auxetico. Le simulazioni hanno evidenziato l'alto potenziale nella gestione degli impatti localizzati, con valori di Specific Energy Absorption (SEA) nettamente superiori a quelli dello schiacciamento globale. Infine, simulazioni con manichini antropomorfi (ATD) confermano che il sottopavimento con solo travi auxetiche garantisce la sopravvivenza su superfici sia piatte che irregolari. La variante a griglia, pur superando lievemente le soglie su terreno piatto, mantiene sorprendentemente le accelerazioni entro limiti tollerabili sotto severi carichi asimmetrici, confermando l'efficacia degli auxetici negli impatti localizzati e ponendo una solida base per sviluppi futuri.