Analisi aeroelastiche di strutture di velivoli utilizzando teorie strutturali avanzate e DLM = Aeroelastic analysis of aircraft structures using refined structural theories and DLM

Lo studio dei fenomeni aeroelastici rappresenta uno degli aspetti più importanti nella progettazione di strutture snelle, soprattutto in campo aeronautico. L’interazione tra forze elastiche, aerodinamiche e inerziali può determinare, in strutture che non sono completamente rigide, l’insorgenza di questi fenomeni di instabilità. Essi possono essere potenzialmente catastrofici e quindi devono essere evitati. Da ciò nasce l’esigenza di utilizzare modelli accurati e affidabili per prevedere il comportamento aeroelastico di strutture sempre più complesse, in modo da limitare le prove sperimentali. In questa tesi vengono considerate strutture ad elevato allungamento. Per questo motivo, dal punto di vista del modello strutturale, i problemi tridimensionali vengono ridotti a modelli 1D (beam) in cui le variabili incognite dipendono solamente dalla coordinata assiale. Il modello strutturale usato è basato sulla Carrera Unified Formulation (CUF). Si utilizzano delle espansioni polinomiali di tipo Taylor e di tipo Lagrange per definire il campo di spostamento nella sezione trasversale. La CUF permette di scegliere l’ordine dell’espansione in modo arbitrario utilizzando la stessa formulazione. Oltre al modello strutturale, per le analisi di flutter, è necessario introdurre un modello aerodinamico e in questo caso è stato scelto il Double Lattice Method. Questo approccio è adatto ad applicazioni in regime subsonico, ambito di questo lavoro. Per legare i due modelli, strutturale e aerodinamico, si utilizza il metodo di interpolazione detto spline. Le prime analisi svolte riguardano il comportamento statico, dinamico e aeroelastico di modelli semplici di piastre isotrope. In seguito, si passa allo studio di configurazioni semplificate di velivoli interi per valutare le condizioni di instabilità aeroelastica. I risultati ottenuti dalle analisi di flutter permettono di ricavare anche la condizione di divergenza, un fenomeno aeroelastico di instabilità statica. Lo studio preliminare di frequenze e modi propri della struttura, tramite analisi dinamiche, risulta fondamentale per le analisi aeroelastiche perché permette di individuare i modelli più accurati per l’individuazione del flutter. Si evidenzia infatti che i modelli classici di Eulero-Bernoulli e di Timoshenko non sono adatti in questo ambito, non riuscendo a rilevare i modi torsionali della struttura. Inoltre, man mano che i gradi di libertà del modello aumentano, si raggiungono risultati sempre più accurati, a discapito però del costo computazionale che aumenta. Dal confronto con i risultati di modelli piastra o solido ottenuti tramite il software Femap, si giunge alla conclusione che i modelli utilizzati basati sulla CUF hanno un buon livello di accuratezza mantenendo il vantaggio di avere un costo computazionale limitato.