The latest years have seen the development of new technologies to control the flight of an aircraft based on the deformation of flexible structures. Morphing structures have the advantage of being able to improve aerodynamic efficiency and aircraft performance in an extended flight envelope. An innovative solution, substitutive of conventional rigid control surfaces, it's rapresented by a stretchable skin substained by an internal flexible composite chiral structure. Chiral honeycombs allow smooth large shape changes without localized deformation and high stress values. The object of this work was designing of a morphing actuated aileron. Two topologies are involved for internal chiral structure and are combined with two solutions for the actuator system. The first saw the application of forces in the skin, while in the second system punctual torque moments are applied at the outer nodes of the chiral structure. A static aeroelastic model is developped to investigate the behavior of the morphing aileron. The structural condensed matrix it is obtained by a model of finite elements, the aerodynamic forces are calculated with a two-dimensional method for thin airfoils. Actuator forces and moments are choosen within a realistic range for the systems in exam. With that numerical tool several configurations of the structure were investigated, changing module and sign of forces, structural stiffness, axial and bending stiffness of the corrugated composite for skin. Eventually an optimization process is developped to find the best configuration of those input parameters that increase the lift coefficient and maximizing the ratio between the square of lift increment and energy required to obtain it.

Negli ultimi anni si è visto un forte sviluppo delle tecnologie morphing che permettono di migliorare l'efficienza aerodinamica e le prestazioni del velivolo in differenti condizioni dell'inviluppo di volo. Una soluzione promettente ed innovativa con capacità morphing, applicabile in sostituzione alle convenzionali superfici di controllo rigide, è rappresentata da un rivestimento fortemente allungabile sostenuto da una centina interna flessibile realizzata con strutture chirali. Tale soluzione ha il vantaggio di permettere la diffusione di elevate deformazioni locali in grandi spostamenti globali evitando così concentrazioni di sforzo non ammissibili. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è la progettazione di una soluzione di alettone attuato con capacità morphing. Sono state prese in esame due topologie per le celle chirali, che costituiscono la struttura interna, flessibile, dell'alettone e sono stati studiati due differenti sistemi di attuazione. Un primo prevede l'utilizzo di forze distribuite all'interno del rivestimento per simulare l'azione di fili in lega a memoria di forma, un secondo vede delle coppie torcenti applicate ai collegamenti tra i nodi più esterni del chirale e il rivestimento. Il comportamento dell'alettone, soggetto a forze di attuazione ed aerodinamiche, è stato investigato tramite la soluzione del modello aeroelastico statico associato al problema. La matrice strutturale è stata ricavata tramite condensazione statica del modello ad elementi finiti della centina, carichi e matrice aerodinamica sono stati invece ricavati tramite un metodo a pannelli bidimensionale per profili sottili. Uno studio preliminare ha portato inoltre a definire gli intervalli di forze e coppie di attuazione realistici per i sistemi in esame. Si è sviluppata quindi una metodologia numerica semplice per lo studio del problema con la quale si è andati ad analizzare il comportamento dell'alettone in funzione di alcuni parametri strutturali e sistemi di forze. Il lavoro è terminato con un processo di ottimizzazione necessario ad individuare le configurazioni migliori che massimizzino un apposito indice energetico e di conseguenza il coefficiente di portanza.

Topologie chirali per superfici mobili a forma variabile

BELTRAMIN, ALVISE
2011/2012

Abstract

The latest years have seen the development of new technologies to control the flight of an aircraft based on the deformation of flexible structures. Morphing structures have the advantage of being able to improve aerodynamic efficiency and aircraft performance in an extended flight envelope. An innovative solution, substitutive of conventional rigid control surfaces, it's rapresented by a stretchable skin substained by an internal flexible composite chiral structure. Chiral honeycombs allow smooth large shape changes without localized deformation and high stress values. The object of this work was designing of a morphing actuated aileron. Two topologies are involved for internal chiral structure and are combined with two solutions for the actuator system. The first saw the application of forces in the skin, while in the second system punctual torque moments are applied at the outer nodes of the chiral structure. A static aeroelastic model is developped to investigate the behavior of the morphing aileron. The structural condensed matrix it is obtained by a model of finite elements, the aerodynamic forces are calculated with a two-dimensional method for thin airfoils. Actuator forces and moments are choosen within a realistic range for the systems in exam. With that numerical tool several configurations of the structure were investigated, changing module and sign of forces, structural stiffness, axial and bending stiffness of the corrugated composite for skin. Eventually an optimization process is developped to find the best configuration of those input parameters that increase the lift coefficient and maximizing the ratio between the square of lift increment and energy required to obtain it.
QUARANTA, GIUSEPPE
SALA, GIUSEPPE
ING IV - Scuola di Ingegneria Industriale
23-apr-2013
2011/2012
Negli ultimi anni si è visto un forte sviluppo delle tecnologie morphing che permettono di migliorare l'efficienza aerodinamica e le prestazioni del velivolo in differenti condizioni dell'inviluppo di volo. Una soluzione promettente ed innovativa con capacità morphing, applicabile in sostituzione alle convenzionali superfici di controllo rigide, è rappresentata da un rivestimento fortemente allungabile sostenuto da una centina interna flessibile realizzata con strutture chirali. Tale soluzione ha il vantaggio di permettere la diffusione di elevate deformazioni locali in grandi spostamenti globali evitando così concentrazioni di sforzo non ammissibili. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è la progettazione di una soluzione di alettone attuato con capacità morphing. Sono state prese in esame due topologie per le celle chirali, che costituiscono la struttura interna, flessibile, dell'alettone e sono stati studiati due differenti sistemi di attuazione. Un primo prevede l'utilizzo di forze distribuite all'interno del rivestimento per simulare l'azione di fili in lega a memoria di forma, un secondo vede delle coppie torcenti applicate ai collegamenti tra i nodi più esterni del chirale e il rivestimento. Il comportamento dell'alettone, soggetto a forze di attuazione ed aerodinamiche, è stato investigato tramite la soluzione del modello aeroelastico statico associato al problema. La matrice strutturale è stata ricavata tramite condensazione statica del modello ad elementi finiti della centina, carichi e matrice aerodinamica sono stati invece ricavati tramite un metodo a pannelli bidimensionale per profili sottili. Uno studio preliminare ha portato inoltre a definire gli intervalli di forze e coppie di attuazione realistici per i sistemi in esame. Si è sviluppata quindi una metodologia numerica semplice per lo studio del problema con la quale si è andati ad analizzare il comportamento dell'alettone in funzione di alcuni parametri strutturali e sistemi di forze. Il lavoro è terminato con un processo di ottimizzazione necessario ad individuare le configurazioni migliori che massimizzino un apposito indice energetico e di conseguenza il coefficiente di portanza.
Tesi di laurea Magistrale
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