Analisi Aeroelastica e di Trim di un velivolo con ali a freccia in avanti.

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Nel 1984 un aereo molto particolare volò per la prima volta: il Grumman Northrop X-29. Le sue ali erano rivolte in avanti, contrariamente agli aerei “classici”. Questo design fu considerato un enorme aumento dell’efficienza aerodinamica dell’ala, poiché questa forma particolare produce il minor coefficiente di resistenza possibile e migliora la risposta allo stallo alare. Inoltre questo modello riduce le dimensioni alari del 20% (con un guadagno in peso di quasi il 40%). Sfortunatamente tutti questi benefici sono ottenuti in cambio della resistenza strutturale del velivolo: in fatti quando le ali “classiche” (inclinate all’indietro) si piegano verso l’alto, ruotano cercando di ridurre l’angolo di attacco, mentre i velivoli con ali a freccia in avanti tendono ad aumentare questo angolo, risultando in un grande stress alla radice dell’ala, unito ad instabilità aeroelastica alle basse velocità.

La soluzione a questo problema, e anche l’argomento principale di questo progetto, consiste nell’utilizzo dei materiali composite, al fine di aumentare l’integrità strutturale. Infatti inserendo delle fibre nella giusta direzione, è possibile limitare la rotazione dell’ala lungo la direzione dell’apertura alare eliminando il problema strutturale che il semplice alluminio non era in grado di risolvere. Questa procedura è chiamata Tailoring aeroelastico.

Con Patran è stato realizzata una rappresentazione 3D dell’aereo originale, con tutte le sue proprietà strutturali, in un modo estremamente semplice ed efficacie. La possibilità di progettare i dettagli strutturali del cassone alare, come la forma degli stringers, è stato fondamentale per ottenere risultati accurati. Inoltre lo strumento per la creazione dei materiali compositi è estremamente semplice da usare e produce risultati di alta qualità; infine l’analisi richiesta è stata implementata direttamente con MSC Nastran, utilizzando un metodo di programmazione estremamente flessibile.

In aggiunta alla semplicità e alla intuitività del pre-processore grafico, la possibilità di compiere compiti complessi come le analisi aeroelastiche e di trim, permettono agli ingegneri di testare le loro idee rapidamente e con accuratezza.


Quando si discute il comportamento strutturale di un velivolo, l’analisi statica non è sufficiente, perchè non tiene conto dell’interazione tra le superfici portanti e il flusso d’aria. Infatti il carico aerodinamico altera la geometria, la quale, in risposta, altera la superficie incontrata dall’aria, quindi cambiando il carico applicato. Questo tipo di analisi è chiamata analisi aeroelastica statica o dinamica, ed è eseguita da un risolutore specifico, chiamato solver 144.

In aggiunta a questa caratteristica, MSC Nastran permette di creare le superfici di controllo, come il canard o il timone, per ottenere diverse condizioni di equilibrio. Nel nostro studio abbiamo voluto studiare il volo in condizioni di volo livellato, utilizzando il canard per ottenere l’equilibrio longitudinale, attraverso il comando TRIM.

Successivamente la post-produzione ha fornito una visualizzazione intuitiva dei risultati, con una rappresentazione grafica degli output richiesti.

In questa immagine potete vedere come lo stress è direttamente visualizzato sul modello, permettendo agli sviluppatori di determinare rapidamente I punti critici della struttura.

“Abbiamo scelto di usare Patran-MSC Nastran, per via dell’alta flessibilità di programmazione e della potente interfaccia grafica, che ci ha permesso di realizzare complesse analisi mantenendo la possibilità di comprendere rapidamente, e quindi migliorare, il modello. Il risultato è il migliore trade-off tra la resistenza strutturale e la riduzione del peso” ha dichiarato Dario De Angelis, studente di ingegneria all’università La Sapienza di Roma.


Università La Sapienza di Roma-  Fondata nel 1303, è una delle più antiche università del mondo, e al momento è il più grande ateneo d’europa, con oltre 145.000 studenti iscritti. Con 11 facoltà e 63 dipartimenti, La Sapienza eccelle in diversi campi come fisica, astrofisica, nanotecnologia e ingegneria aerospaziale. Recentemente il lanciatore Vega e il satellite Lares, entrambi sviluppati dai ricercatori e professori della Sapienza, sono stati lanciati con successo. 

 

Autore:
Dario de Angelis

Università La Sapienza di Roma