Multidisciplinary co-simulations for micro vehicles aeroelasticity

Flapping wing Micro-Aerial Vehicles (MAVs) represent an interesting solution to the challenging task of designing efficient, hover-capable micro-vehicles, overcoming the reduced efficiency at low Reynolds numbers of hover-capable vehicles based on conventional rotary wing designs. Even if their prototyping is not extremely expensive, it can be significantly time consuming, error prone and subjected to reproducibility issues. Thus, the possibility to build efficient, reliable and accurate simulation models becomes important. The problem requires the capability to take into account the flapping and pitch mechanisms, together with the aerodynamics coupling. It is also necessary to model geometrical nonlinearities to correctly describe the structural dynamic behavior of rather flexible structural components. For this kind of problems, Multibody System Dynamics (MSD) represents an ideal modelling environment, since it allows to directly consider mechanism modelling together with structural dynamics, and is well suited to interact with external solvers capable to model the aerodynamics. The optimal layout to tackle this kind of problems is to exploit the so called co-simulation technique. Resorting to efficient interprocess communication, a multidisciplinary environment has been constructed, in which different software are dedicated to solve the numerical models of each involved discipline. The free general-purpose multibody solver MBDyn is selected as the core of the fluid-structure coupled simulation. This has been connected to solvers developed within the OpenFOAM environment, which are dedicated to solve the Navier-Stokes equations to evaluate aerodynamic loads and fields surrounding the vehicle components. OpenFOAM is basically a library containing the necessary objects to build solvers for partial differential equations. Users are expected to develop their own solvers. Starting from an incompressible RANS solver (known as pimpleFoam), communication capabilities have been added to integrate this tool into the co-simulation toolbox. An Immersed Boundary implementation capable of simulating moving objects is also proposed to give the possibility to tackle even the most promising (and challenging) solutions, such as the clap and fling. Within this context, a new implementation of a low-order membrane element has been proposed. The need to consider the membrane structural model arose in consideration of the fact that advanced solutions for flapping wing MAVs require very thin structural components, capable to undergo very large geometrical deformations. That solution has been analyzed in previous works, where the implementation of a geometrically nonlinear shell element was presented and used in conjunction to an already available nonlinear beam element. Earlier investigations of problems of this type were based on geometrically nonlinear shell elements with the thickness set to a very small value. Their replacement with a membrane model promises the possibility to reduce the computational cost, by halving the size of the model, the complexity of the formulation and the ill-conditioning of the problem, by eliminating the need to resort to extremely thin shell elements.

L'ala battente rappresenta un'interessante risposta alla sfida di progettare micro veicoli in grado sostenere il volo avanzato e a punto fisso, superando le limitate prestazioni che la tradizionale ala rotante mostra a bassi numeri di Reynolds. Anche se la prototipazione di questo tipo di macchine non è eccessivamente costosa, può portare a problemi dovuti alla riproducibilità, a incertezze dimensionali importanti e a tempi di sviluppo inaccettabili. La possibilità di simulare efficacemente il comportamente aeroelastico tramite metodi accurati assume quindi una grande importanza. Per raggiungere tale obiettivo è richiesta la capacità di considerare al tempo stesso la modellazione dei meccanismi, delle flessibilità strutturali (in campo non lineare) e dei carichi aerodinamici. Questi problemi sono tipicamente risolti efficacemente tramite la modellazione Multicorpo, che offre l'ambiente ideale tramite cui accoppiare diversi solutori dedicati ai diversi problemi. Il layout ottimale, per costruire l'ambiente di simulazione ideale, è quello delle co-simulazioni. Utilizzando sistemi di comunicazione efficaci, viene costruito un ambiente multidisciplinare accoppiando diversi software, ognuno dedicato alla descrizione di un particolare sottosistema. Per lo sviluppo di questa tesi si è scelto di utilizzare MBDyn come solutore principale per gestire le co-simulazioni. Per prevedere i flussi aerodinamici, particolari solutori in ambiente OpenFOAM sono stati adattati ed estesi per poter comunicare con altri programmi tramite protocolli efficienti (TCP/IP). Questo deriva dalla necessità di modellare nella maniera più fedele possibile il comportamento aerodinamico degli elementi analizzati. Per estenedere la versatilità dell'ambiente di simulazione, è stato implementato un metodo originale per poter trattare contorni mobili tramite la tecnica delle Immersed Boundary. Questo fornisce la possibilità di poter considerare configurazioni particolarmente complicate, come ad esempio la soluzione di tipo Clap and Fling. Inoltre, un nuovo elemento di membrana viene proposto e aggiunto alla libreria di elementi in MBDyn, per poter trattare al meglio la descrizione dei tipici elementi strutturali impiegati nella costruzione di micro velivoli.