Progetto di un rivestimento flessibile attuato per strutture con capacità di variazione di forma

Nowadays the research on direct control of aerodynamic forces through geometrical changes of lifting bodies is gaining importance in aeronautical field, moving the interest towards structures with the possibility to make a continuous geometric adaptation, looking for an alternative solution given by classical discrete aircraft wing adaptation systems. The background of the work is represented by recent studies at Politecnico di Milano, focused on engineering solutions to design an internal structural frame for morphing applications. This structures are made of chiral networks with on the top a skin corrugated composite and an elastomeric membrane, which allow large deformations without local failure. The actual solution was created only for passive applications, where the deformations are induced by the aerodynamic loads action on the profile. However it is possible to take advantage of this solutions to realize active structures. The evaluation of non conventional actuation systems, made of preliminary studies and experimental analysis, has shown that the shape memory alloys are good candidate for the aim. The actual thesis work is focused on the possibility to use the shape memory alloys like actuators for morphing structures, suggesting a numerical model for the characterization of the NiTiNOL and an application into the corrugated skin. A numerical model for the shape memory alloy is created based on the equivalent coefficients of thermal expansion, showing the ability to recreate a correct behaviour in a case where the requirement is the deformation of the skin. The subsequent step is to model the cooling and detwinning phase taking advantage of the material replacing during the numerical analysis in order to change its properties. As a consequence of creating a numerical detailed model of the skin, specifying the placing solution for the actuators, a report of the displacements is made confirming the contraction ability. Some design criterions are identified to make a preliminary sizing of the actuators, taking into account both the authority of the pre-loaded alloy both the yield stress in its low temperature phase. At the end, as a result of the implementation of an equivalent plate model for the entire actuated skin corrugated structure, an application to a test chiral model is made.

Negli ultimi anni la ricerca sul controllo diretto delle forze aerodinamiche attraverso la modifica della geometria alare sta guadagnando sempre più interesse nel campo aeronautico, focalizzando l'attenzione su strutture in grado di cambiare forma in modo continuo durante il volo, cercando quindi una soluzione alternativa alle più classiche superfici di controllo. Il lavoro prende spunto dagli studi effettuati negli ultimi anni al Politecnico di Milano in merito a soluzioni di supporto basate su particolari topologie strutturali per superfici morhping. Tali strutture sostengono rivestimenti costituiti da compositi corrugati ed elastomeri in grado di consentire le deformazioni volute senza snervamenti locali. Le soluzioni studiate sono state, fino ad ora, soluzioni passive, dove la deformazione era indotta direttamente dai carichi aerodinamici agenti sul profilo. Tuttavia è possibile sfruttare le medesime soluzioni strutturali per soluzioni attive e attuate. La valutazione di sistemi non convenzionali di attuazione, mediante studi preliminari e analisi sperimentali, ha indicato le leghe a memoria di forma quali possibili candidati. Il presente lavoro di tesi valuta, quindi, la possibilità di utilizzo delle leghe a memoria di forma quali attuatori per strutture morphing, proponendo un modello numerico per la rappresentazione di attuatori in NiTiNOL e una sua applicazione come attuatore inglobato nel rivestimento esterno. Viene realizzato un modello numerico della lega basato sui coefficienti di dilatazione termica equivalente, mostrando la sua efficacia nella modellazione del comportamento del NiTiNOL nel caso di inserimento in una struttura nella quale il requisito richiesto è l'autorità in termini di deformazione applicabile. L'analisi prosegue con la modellazione delle fasi di raffreddamento e detwinning nelle quali si sfrutta la sostituzione dei materiali nelle procedure di analisi numerica permettendo il cambio di proprietà della lega. A seguito della realizzazione di un modello numerico dettagliato del rivestimento, nel quale viene chiarita la soluzione di impiego degli attuatori, si riportano i risultati degli spostamenti ottenuti confermandone la capacità di contrazione. Vengono inoltre identificate linea guida per il dimensionamento preliminare degli attuatori, tenendo conto sia dell'autorità della lega sottoposta a precarichi che della sua resistenza allo snervamento quando raffreddata. A seguito della realizzazione di un modello numerico di piastra equivalente dell'intero sistema il rivestimento attuato proposto viene applicato ad un caso di prova, costituito da una centina con struttura interna chirale.