Studi sperimentali e analisi numeriche per la progettazione di una struttura alare con capacità morphing

In latest years, morphing technologies proved to be one of the most promising research fields in aeronautics; through them it is possible to change the shape of an aircraft structure, in a local or global way, in order to accomplish better performances. Chiral structures seem to be an excellent choice for these applications thanks to their ability to undergo significant global displacements with limited local strains. The Aerospace Department of Politecnico di Milano is currently developing a technological demonstrator for an aerodynamic surface capable of changing its cambering by exploiting the elastic compliance of chiral structures. Experimental evaluation of the chiral cells performances and the development of a design for the technological demonstrator are the main goals of this thesis. Studies on chiral cells are conducted by means of both numerical simulations and experimental tests to assess the deformation capabilities of these components and evaluate their stiffness in relation with the thickness and lamination sequence. Failure limits for the chiral units are identified and the numerical models are validated through a numerical/experimental correlation. A finite element model of the technological demonstrator, both in its three-ribs and four-ribs configurations, is developed to determine the design parameters needed to meet the deflection requirements coming from a previous profile optimization procedure. A stress analysis on the model is performed and some technological aspects about the connections between the different parts are defined too. As a further analysis, the possibility to run an optimization of the ribs in order to accomplish a better stress distribution is investigated, also taking into account the structure weight.

Uno dei filoni di ricerca più promettenti degli ultimi anni in campo aeronautico è quello relativo alle tecnologie morphing, ovvero tutte quelle tecniche in grado di modificare la forma, locale o globale, di un velivolo al fine di ottenere dei benefici sulle prestazioni. In particolare le celle chirali, topologie strutturali non centrosimmetriche con la capacità di permettere grandi spostamenti con livelli di deformazione diffusi, mostrano un grande potenziale in questo senso. E' proprio tramite queste strutture che il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano si propone di realizzare un dimostratore tecnologico di una superficie aerodinamica capace di variare significativamente la propria curvatura sfruttando la deformabilità intrinseca delle celle chirali. Gli obiettivi generali di questo lavoro di tesi consistono nella valutazione sperimentale delle prestazioni delle unità chirali e nello sviluppo di un progetto per il dimostratore tecnologico mediante simulazioni numeriche della risposta strutturale. Sono stati effettuati degli studi sul comportamento delle singole celle chirali, avvalendosi sia di simulazioni numeriche che di prove sperimentali, che hanno portato a individuare i limiti di rottura delle unità chirali e a validare gli approcci numerici per la modellazione della risposta strutturale in rigidezza. Inoltre, partendo dai risultati ottenuti dalle ottimizzazioni condotte sui profili morphing, è stato realizzato un modello ad elementi finiti in Abaqus del dimostratore tecnologico completo nelle configurazioni a 3 e 4 centine, determinando per ciascuna di esse il punto di progetto in grado di rispettare i requisiti. Lo sviluppo di questo modello, che ha portato anche alla definizione di alcuni aspetti costruttivi del dimostratore, ha permesso di definire i requisiti per il rivestimento flessibile, valutare gli sforzi agenti nella struttura in condizioni di progetto e studiare efficacemente le connessioni tra i diversi elementi dell'assieme. Infine ci si è concentrati sulla centina chirale, indagando la possibilità di ottimizzarla in modo da garantire una migliore distribuzione degli sforzi minimizzando allo stesso tempo il peso.