Sviluppo di modelli per l'interazione fluido-struttura di strutture aeronautiche mediante FEM e CFD = Development of models for fluid-structure interaction of aeronautical structures using FEM and CFD

Lo studio dei fenomeni aeroelastici ricopre un ruolo fondamentale nella progettazione aeronautica. I velivoli moderni sono caratterizzati da superfici portanti con un elevato allungamento, che sono soggette più facilmente a fenomeni d’interazione tra fluido e struttura potenzialmente catastrofici. Nel settore dell’aviazione si evidenzia un uso sempre maggiore dei materiali compositi che permettono attraverso il tailoring aeroelastico di migliorare la risposta aeroelastica delle strutture, evitando o ritardando l’insorgenza di fenomeni d’instabilità. I costi delle campagne sperimentali sono elevati; per questo motivo sono necessari modelli accurati e poco onerosi dal punto di vista computazionale, che permettano di predire il comportamento aeroelastico delle strutture in fase di progettazione. Lo scopo di questa tesi è sviluppare una formulazione aeroelastica basata su modelli aerodinamici accurati tramite l’uso della Computational Fluid Dynamics (CFD), e su modelli strutturali di ordine elevato. I modelli strutturali utilizzati si basano sulla Carrera Unified Formulation (CUF) che permette di generare agevolmente modelli raffinati di ordine diverso. Nell’ambito di questo lavoro sono stati usati modelli unidimensionali (1D) e modelli bidimensionali (2D). Come funzioni di espansione per la sezione trasversale della trave o per lo spessore della piastra, sono stati adottati sia polinomi di Taylor che polinomi interpolanti di Lagrange. Le analisi CFD sono state condotte con SU2, una raccolta di software open-source per l’analisi di equazioni alle derivate parziali scritti in C++ e Python. Per legare il modello aerodinamico a quello strutturale è stato usato un algoritmo basato sul metodo Infinite Plate Spline (IPS). L’algoritmo d’interazione fluido-struttura permette di trasferire i carichi aerodinamici e gli spostamenti della struttura da una griglia computazionale all’altra. Il contenuto dell’elaborato relativo ai risultati numerici è composto da una prima parte di validazione strutturale. Sono stati presi in esame modelli raffinati 1D con diverse geometrie di sezione trasversale e condizioni di vincolo, e modelli raffinati 2D. Sono state condotte sia analisi statiche che analisi dinamiche di risposta libera, per materiale isotropo e composito. La seconda parte riguarda un esempio di calibrazione aerodinamica per un’ala con basso allungamento, e contiene considerazioni sulla dimensione del dominio di calcolo e sul raffinamento della griglia computazionale per le analisi CFD. La terza parte riguarda le analisi aeroelastiche effettuate nell’ipotesi di piccole deformazioni della struttura. Viene studiata un’ala con sezione rettangolare facendo uso di modelli strutturali raffinati 1D e 2D. I risultati sono confrontati con quelli ottenuti con un metodo classico per il calcolo dei carichi aerodinamici, il Vortex Lattice Method (VLM). Sono stati effettuati degli studi sul tailoring aeroelastico per un materiale composito, ed è stato valutato l’effetto combinato della freccia alare e della laminazione. L’ultima parte riguarda gli effetti della non linearità geometrica sul comportamento aeroelastico delle strutture ad elevato allungamento. I risultati ottenuti hanno mostrato le capacità della presente formulazione aeroelastica di garantire un livello di accuratezza maggiore rispetto a modelli basati sul VLM. Questa differenza viene maggiormente accentuata quando si studiano gli effetti della laminazione, della freccia alare e quando sono presenti non linearità nel modello.