Technology for advanced morphing structures

The objective of the morphing concept is to provide continuous controllable deformations thus changing the stiffness of the structure. A possible solution to design morphing structure can exploit the peculiar characteristics of chiral topologies, which are a relatively new design concept for composite aerospace materials. A honeycomb based on a chiral topology shows auxetic features which leads to negative Poisson coefficients. This thesis investigates the design of a technological demonstrator of a morphing wing that uses the auxetic features of chiral cells. The research is concentrating on the manufacturing of the chiral composite cell network inside a rib. The design of the technological demonstrator is composed of two ribs connected to each other by means of corrugated flexible skin. The Leading edge (LE) and Trailing Edge (TE) provide housing for two ribs. The ribs are connected to the corrugated flexible skin by means of pin – hinge mechanisms. LE and TE are filled with a foam material to provide shear and pressure resistance. The foam material thought to be utilized is Rohacell and this material offers high strength/weight ratio. The morphing wing has the property of increasing the camber when subjected to a gust load. The aeroelastic performances have been studied in previous works, where the topology of the chiral honeycomb has been optimized. Basing on the knowledge of the aerodynamic loads this study presents the basic aspects of the technological solutions and the development of the structural design of the demonstrator. The manufacturing of the ligaments and assembly of these specific parts to form chiral cells are described. Finite element analyses are carried out based to verify the rib design and choose the best configuration. Experiments are also performed to validate the design and to verify the manufacturing techniques. The manufacturing phase started from the production of the ligaments and then assembling them in the assembly mold. The experiments were carried out on four chiral unit cells. This phase also includes the design and manufacturing of the molds of the ligaments which are used for the production of the chiral unit cells and rib. Another mold was also designed and produced for the assembly of the ligaments to form the chiral unit cell. The production of the rib started after the exploitation of the chiral unit cells was proven. The previous production phase also gave some hints on how to proceed for the assembly of the full rib which is composed of up to three hundred ligaments. Compared with the chiral unit cell, a full rib is relatively a more complex structure and more attention is needed for the assembly of the ligaments to create defect free structure. After the production phase is completed static testing was performed on the rib. That was realized by suspending loads to the nodes of the rib and measuring the deflection by means of laser and comparator. The recent technological demonstrator is designed as a passive structure but the next step of this research could employ the use of sensing elements and actuators to create a controllable aerodynamic surfaces. The researcher also investigated the possible use of sensing elements and polymeric materials that could change their shape under several stimulus effects. The best polymeric material to be utilized should include both the shape memory effect and self healing effect.

L'obiettivo del concetto morphing è fornire continue deformazioni controllabili cambiando così la rigidità della struttura. Una possibile soluzione a struttura di disegno morphing possono sfruttare le caratteristiche peculiari di topologie chirale, che sono un concetto relativamente nuovo disegno per i materiali compositi aerospaziali. Un nido d'ape basa su una topologia chirale presenta caratteristiche auxetic che porta a negative coefficienti di Poisson.Questa tesi indaga la progettazione di un dimostratore tecnologico di un'ala morphing che utilizza le caratteristiche delle cellule auxetic chirali. La ricerca si concentra sulla fabbricazione della rete composita chirale cella all'interno di una costola. La progettazione del dimostratore tecnologico è composto da due nervature collegati tra loro per mezzo di pelle flessibile ondulato. Il bordo d'attacco (LE) e Bordo di uscita (TE) fornire un alloggio per due costole. Le nervature sono collegati alla pelle flessibile corrugato mediante pin - meccanismo a cerniera. LE e TE sono riempiti con un materiale espanso per fornire taglio e resistenza alla pressione. Il materiale espanso pensato per essere utilizzato è Rohacell e questo materiale offre alta resistenza / peso. L'ala morphing ha la proprietà di aumentare la campanatura quando sottoposto ad un carico raffica. Le prestazioni aeroelastici sono state studiate in lavori precedenti, in cui la topologia del favo chirale è stato ottimizzato. Basandosi sulla conoscenza dei carichi aerodinamici questo studio presenta gli aspetti fondamentali delle soluzioni tecnologiche e lo sviluppo della progettazione strutturale del dimostratore. La fabbricazione dei legamenti e assemblaggio di queste parti specifiche per formare cellule chirali sono descritti. Analisi agli elementi finiti viene effettuato con riferimento alla verifica della progettazione, costola e scegliere la migliore configurazione. Gli esperimenti vengono eseguiti anche per convalidare il progetto e di verificare le tecniche di fabbricazione. La fase di produzione iniziata dalla produzione dei legamenti e poi assemblaggio nello stampo di assemblaggio. Gli esperimenti sono stati condotti su quattro celle unitarie chirali. Questa fase comprende anche la progettazione e la fabbricazione degli stampi dei legamenti che sono utilizzati per la produzione delle cellule unità chirali e nervatura. Un altro stampo è stato anche progettato e realizzato per l'assemblaggio dei legamenti per formare la cella chirale unità.La produzione della nervatura iniziata dopo lo sfruttamento delle pile unitarie chirali stata dimostrata. La fase di produzione precedente ha anche dato alcuni suggerimenti su come procedere per il montaggio della costola completa che si compone di un massimo di 300 legamenti. Rispetto alla cella unitaria chirale, una nervatura integrale è relativamente una struttura più complessa e più attenzione è necessaria per l'assemblaggio dei legamenti per creare struttura libera difetto. Dopo la fase di produzione è completato prove statiche stata eseguita sulla costola. Che è stato realizzato sospendendo carichi ai nodi della nervatura e misurare la deformazione mediante laser e comparatore.La recente dimostratore tecnologico è progettato come una struttura passiva ma il passo successivo di questa ricerca potrebbe impiegare l'uso di elementi di rilevamento e attuatori per creare una superficie controllabili aerodinamiche. I ricercatori hanno anche studiato l'uso possibile di elementi sensibili e dei materiali polimerici che potrebbero cambiare la loro forma sotto l'effetto di stimolo diversi. Il miglior materiale polimerico da utilizzare deve includere sia l'effetto memoria di forma e di guarigione effetto auto.