Analisi aeroelastica e controllo di strutture portanti mediante modelli FEM e a parametri discreti = Aeroelastic analysis and control of lifting structrures through FEM and discrete parameters models

Un aspetto cruciale nell'ambito del progetto aeronautico è rappresentato dallo studio dei fenomeni aeroelastici, di natura statica o dinamica, i quali derivano dall'interazione combinata di forze aerodinamiche e effetti inerziali ed elastici. Di pari importanza è inoltre la corretta analisi dei carichi agenti sulla struttura, siano essi di manovra o raffica. Poiché la loro corretta determinazione prescinde da analoghe considerazioni in merito all'aerodinamica e ad effetti elastici, risulta evidente come l'aeroelasticità e i carichi agenti risultino fortemente legati fra loro. Tra i fenomeni aeroelastici di natura dinamica, il flutter rappresenta la condizione critica la cui corretta previsione è un punto chiave per la buona riuscita del progetto stesso. Infatti, tale fenomeno è caratterizzato da vibrazioni autosostenute dal continuo estrarre energia da parte della struttura dal flusso d'aria in cui è immersa, le quali possono potenzialmente comprometterne l'integrità. Tra le varie tipologie di carichi invece, la raffica rappresenta sicuramente un input caratteristico mediante il quale poter valutare la risposta dinamica della struttura. Definite fenomenologia e tipologia di carico di interesse, lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di implementare all'interno del sistema aeroelastico un controllo in retroazione che consenta, per il sistema ad anello chiuso derivante, di ritardare l'insorgere della condizione di flutter e alleviare l'effetto della raffica sulla struttura. L'interazione tra il sistema di controllo e quello aeroelastico prende il nome di aeroservoelasticità. Come punto di partenza per la definizione del modello aeroservoelastico è stato utilizzato un sistema semplificato a parametri concentrati. I carichi aerodinamici agenti sono stati ottenuti dal modello aerodinamico quasi stazionario di Theodorsen. L'azione del controllo viene espletata per mezzo di una superficie mobile, la cui deflessione viene regolata da una semplice controllore proporzionale-integrativo (PI), sulla base delle misurazioni in corrispondenza dei punti caratteristici del sistema. In questo modo, le forze aerodinamiche complessivamente agenti vengono modificate, consentendo di ottenere gli effetti desiderati. Il passo successivo consiste nel passaggio al modello aeroservoelastico tridimensionale. In virtù del gran numero di variabili coinvolte, la struttura portante è stata modellata mediante elementi beam 1D di ordine elevato, ottenuti ricorrendo alla Carrera Unified Formulation (CUF), il cui vantaggio risiede in una formulazione formalmente indipendente dall'ordine scelto per il modello cinematico da considerare, il quale diventa quindi un input dell'analisi. Mediante la CUF, inoltre, è stato possibile ottenere una formulazione compatta sia per le matrici aerodinamiche che per quelle di controllo. Nel corso della tesi, l'efficacia di tale formulazione viene dimostrata conducendo differenti tipologie di analisi strutturali, statiche, di vibrazioni libere e dinamiche, su strutture solide, in parete sottile, in composito e multicomponenti tipiche dell'industria aerospaziale, come ad esempio longheroni e cassoni alari. Infine, estendo la CUF all'analisi del sistema aeroservoelastico è stato possibile mettere in luce come essa possa prestarsi all'implementazione del sistema di controllo all'interno della formulazione aeroelastica, riuscendo ad ottenere un'analisi accurata e computazionalmente non dispendiosa.