Aeroservoelastic modeling and control in presence of freeplay

This work would be an insight into the aeroelastic behaviour of aeronautical components in presence of structural nonlinearities. The aeroelasticity has been a challenging research topic since the beginning of the history of aeronautics; the interaction between structural dynamics, aerodynamics and control systems may lead, under particular conditions, to (non-)destructive instabilities. The addition of nonlinearities into this equation can overturn the final result. Nowadays well known techniques are established to study separately each of the just mentioned aspects but to combine them together is still something challenging and relatively new. The goal of this project is to develop and validate a procedure, from numerical model to wind tunnel tests, to study and simulate the aeroelastic behaviour of a model of a T-tail with a freeplay in rudder kinematic chain. The first part of the work is focused from one side on the conceptual design of the mechanism that allows to introduce a controlled freeplay in the kinematic chain between the actuator and the rudder control surface and from the other on the aeroelastic model of the T-tail itself and the techniques adopted for its manufacturing. The second part of this thesis presents the development of the numerical model according to the modern aeroelastic approach, that relays on the finite element method for the dynamics of the structure and on the doublet lattice for the aerodynamics. A Ground Vibration Test campaign is also carried out to update the numerical model in order to obtain a closest representation of the physical system. Once the basis is available, a Reduced Order Model is synthesized and expanded to take into account the freeplay and the dynamics of the actuator. Wind tunnel tests are performed, with the support of a real-time acquisition/control system, during the development of the project to validate the numerical model and to constitute a database of meaningful information on the behaviour of the T-tail rig while it undergos aeroelastic instabilities. A high order harmonic balance procedure is studied as well with the aim to reach a better understanding of the model. Finally a control strategy, which goal is to reduce the vibration level, is developed and numerically explored.

Questo lavoro di dottorato si prefigge come scopo quello di studiare il comportamento aeroelastico di una struttura aeronautica in presenza di non linearità strutturali. L'aeroelasticità è quel ramo dell’aeronautica che studia l'interazione tra la dinamica strutturale, aerodinamica e sistemi di controllo che, in particolari condizioni operative, possono portare a instabilità distruttive (o non). L'aggiunta di non linearità in questa equazione può cambiare sostanzialmente il risultato finale. Oggi vi sono tecniche consolidate per a studiare separatamente ciascuno degli aspetti appena menzionati, ma combinarli insieme è ancora qualcosa di impegnativo e relativamente nuovo. L'obiettivo di questo progetto è di sviluppare e convalidare una procedura, dallo sviluppo del modello numerico alle prove in galleria del vento, per studiare e simulare il comportamento aeroelastico di un modello di coda a T con un gioco libero nella catena di comando del timone. La prima parte del lavoro è focalizzata, da un parte, sulla progettazione concettuale del meccanismo che permette di introdurre il gioco libero (controllato) nella catena cinematica tra l'attuatore e la superficie di comando e dall'altra, sul modello aeroelastico di coda a T e sulle tecniche utilizzate per la sua realizzazione. La seconda parte di questa tesi presenta poi lo sviluppo del modello numerico secondo quello che è l'approccio aeroelastico moderno. Le informazioni riguardanti la dinamica della struttura e la sua aerodinamica sono estratte da un modello a elementi finiti (correlato con il modello sperimentale grazie all’analisi modale) e manipolate al fine di ottenere una base modale di ordine ridotto nello spazio degli stati. Il modello così ottenuto è stato poi espanso al fine di includere la non linearità e la dinamica del sistema di controllo. Campagne sperimentali in galleria del vento sono state condotte durante lo sviluppo della coda a T, con il supporto di un sistema di acquisizione e controllo real-time, per guidare il progetto e validare il modello numerico. Una metodo di bilanciamento armonico è stato poi studiato e infine, un algoritmo di controllo, finalizzato alla riduzione del livello vibratorio del sistema aeroelastico quando soggetto a oscillazioni di ciclo limite, è stato sviluppato e provato numericamente.