Progettazione preliminare di un'ala in materiale composito per un velivolo di aviazione generale

This thesis focuses on the preliminary design of the structure of the wing box for a general aviation aircraft in composite material. In order to compare two possible solutions, the wing structure of an aircraft currently realized in aluminium alloy is redesigned in composite material. The target consists in realizing a lighter structure with a stiffness equal to or greater than the one of the original wing. Due to the chance composite materials offer to place the fiber reinforcement in the best direction, they make possible, in various applications, to obtain lighter structures then the metal ones. The aim of this thesis is to evaluate if in this particular application composite materials give weight saving and its amount. Economical questions about the cost of materials, costs due to the required manufacturing technologies, costs during the service life of an aircraft, market demand are factors that strongly influence the decision of a company on what kind of aircraft to produce, but they are not considered in this work. The sizing is performed with two different methods. In the first case the main spar is modelled as a beam with distributed load and, in some passages, the structure is modified, using a finite element model, to reach the desired stiffness and strength. The second method consists in the use of a structural optimization software, Optistruct by Altair Engineering Inc., to study the best possible configuration of the skins and the spar caps. The correct use of composite material gives the possibility of a good weight reduction, compared to the original wing in aluminium alloy. Optimization suggests a more complex configuration of the skins, also from the technological point of view, with a little more weight saving.

Il presente lavoro di tesi illustra la progettazione preliminare della struttura del cassone alare per un velivolo di aviazione generale in materiale composito. Per poter operare un confronto tra due soluzioni, viene riprogettata in materiale composito la struttura dell’ala di un velivolo attualmente realizzato in lega di alluminio. L’obiettivo è quello di ottenere una struttura più leggera e con rigidezza pari o maggiore rispetto a quella originale. I materiali compositi, grazie all’opportunità da essi offerta di disporre le fibre di rinforzo nella direzione ottimale, in diverse applicazioni consentono di ottenere strutture più leggere delle corrispondenti in metallo. L’obiettivo di questa tesi è quello di valutare se in questa particolare applicazione si ha risparmio di peso e la sua entità. Valutazioni economiche riguardanti il costo dei materiali, i costi derivanti dall’impiego delle tecnologie produttive necessarie, i costi da sostenere nella vita operativa di un velivolo e le richieste del mercato sono fattori che influenzano fortemente la decisione di un’azienda sul tipo di aereo da produrre, ma non sono oggetto di questo lavoro. La progettazione viene affrontata con due modalità differenti. La prima modalità prevede dei calcoli preliminari in cui il longherone principale viene modellato come una trave con un carico distribuito applicato, e successivamente l’affinamento del progetto, tramite un modello ad elementi finiti, per ottenere le caratteristiche di rigidezza e resistenza desiderate. La seconda modalità consiste invece nell’utilizzo di un software di ottimizzazione strutturale, Optistruct di Altair Engineering Inc., per lo studio della miglior configurazione possibile dei pannelli del rivestimento e delle solette. L’utilizzo opportuno del materiale composito consente un significativo risparmio di peso rispetto alla struttura originale in lega di alluminio. L’ottimizzazione suggerisce una configurazione più complessa, anche tecnologicamente, dei pannelli del rivestimento con un’ulteriore piccola diminuzione del peso complessivo.