DESCRIZIONE GENERALE
Il laboratorio di Analisi e Progettazione Aerostrutturale è l’unità del CIRA che presidia competenze di strutture ed aeroelasticità sia attraverso l’utilizzo di tecniche standard ed innovative di progettazione e di analisi sia mediante il continuo miglioramento dei modelli e dei metodi numerici. Il laboratorio si pone come punto di riferimento nello sviluppo di metodi e procedure per la progettazione e l’analisi di strutture aeronautiche e spaziali sia dal punto di vista meccanico che termico, nella definizione di concetti strutturali innovativi, nella progettazione preliminare e di dettaglio di item aerostrutturali complessi, nella progettazione ed analisi termostrutturale di protezioni termiche ed “hot structures” per veicoli spaziali da rientro e/o per volo ipersonico sostenuto, nella valutazione ed analisi dei carichi statici ed aeroelastici e nella valutazione delle instabilità aeroelastiche a partire dalle GVT (Ground Vibration Test) e/o dal modello dinamico numerico. Il laboratorio può, inoltre, fornire supporto ad enti esterni per ciò che concerne la certificazione aeroelastica, in accordo a qualunque tipo di normativa.
TEMATICHE PRINCIPALI
Meccanica dei materiali compositi
Sviluppo di modelli e procedure di analisi innovativi, affidabili ed accurati in modo da poter progettare strutture in materiale composito maggiormente performanti e sicure.
Carichi ed aeroelasticità
Le attività sono focalizzate alla valutazione dei carichi di progetto, delle instabilità e delle performance aeroelastiche, che costituiscono il presupposto fondamentale per la progettazione strutturale “sicura” di un aeromobile.
Termostrutture
Analisi e progettazione di termo-strutture e sviluppo di algoritmi numerici per lo studio del comportamento termo-meccanico di strutture calde in materiale ceramico soggette a condizioni atmosferiche critiche.
CAPACITÀ & COMPETENZE PRIMARIE
• Sviluppo di metodi e procedure per la progettazione e l’analisi di strutture aeronautiche e spaziali realizzate con materiali convenzionali ed innovativi. In particolare metodi e procedure per la:
- analisi strutturale, buckling e post-buckling di strutture in composito,
- predizione del comportamento di strutture in composito caratterizzate dalla presenza e dalla evoluzione del danno intralaminare ed interlaminare,
- connessione di sottostrutture diversamente modellizzate (elementi finiti) mediante approcci multiscala di tipo global/local,
- ottimizzazione multiobiettivo di strutture in composito damage resistant e damage tolerant,
- progettazione (preliminare e di dettaglio) di strutture aerospaziali,
- analisi di compositi con rinforzo 3D.
• Comportamento termomeccanico di “hot structures” e TPS (metodi per la progettazione termostrutturale preliminare e di dettaglio, per l’accoppiamento aero-termo-strutturale, per la progettazione a fluido refrigerante).
• Valutazione delle instabilità aeroelastiche a partire dalle GVT (Ground Vibration Test) e/o dal modello dinamico numerico.
• Determinazione dei carichi esterni agenti sul velivolo considerato rigido ed elastico e valutazione dei carichi in volo dovuti alla raffica in presenza di superfici servoattuate.
• Progettazione ed analisi di item aero-strutturali complessi (Wing Box, Fusoliere, Impennaggi, etc).
• Progettazione di strutture calde e TPS per veicoli da rientro e per volo ipersonico sostenuto.
• Supporto alla certificazione ed alle prove di volo.
STRUMENTI
ANSYS/Workbench (Multiphysics, Mechanical, Structural e Pre/Post), Software FEM “open source” B2000, HYPERSIZER, MSC/PATRAN, FEMAP, ADINA
SERVIZI EROGABILI
• Sviluppo di modelli/procedure numeriche (elementi finiti) per l’analisi del comportamento di strutture aerospaziali in materiale composito che tendano verso una rappresentazione il più possibile accurata delle fenomenologie caratterizzanti le strutture in composito (quali ad esempio i modi di rottura) ma che comunque minimizzino i tempi computazionali in maniera tale da essere applicabili alla progettazione di strutture reali.
• Sviluppo ed implementazione di approcci e procedure progettuali (preliminare e di dettaglio) per il dimensionamento di componenti aerospaziali ottimizzati sia in termini di peso che di rispondenza ai requisiti di progetto e a quelli certificativi.
• Analisi e progettazione di termo-strutture riutilizzabili e simulazione numerica del comportamento termo-meccanico in presenza di fenomeni non lineari (contatto, irraggiamento interno ed esterno, non linearità di materiale), ottimizzazione di strutture calde mediante utilizzo di modelli analitico-numerici semplificati ed utilizzo di approcci deterministici e statistici per la verifica di resistenza.
• Valutazione di carichi di progetto (su velivolo rigido e flessibile), di instabilità aeroelastiche (flutter, divergenza, inversioni) e delle performance aeroelastiche del velivolo. Inoltre determinazione della risposta dinamica a turbolenza atmosferica e/o rapide deflessioni delle superfici di controllo.
• Interpretazione ed applicazione delle Normative di Aeronavigabilità (CS-VLA, CS-22, CS-23, CS-25) per quanto riguarda l’avamprogetto, la determinazione dei carichi strutturali e delle instabilità aeroelastiche.
• Specifiche di prova a terra ed in volo, analisi Post Flight.
ALCUNE APPLICAZIONI
• Modellizzazione e sviluppo metodi in codici agli elementi finiti, per l’analisi di strutture in composito in presenza di danno: insorgenza ed evoluzione di danni intralaminari (fibra matrice), propagazione di delaminazioni ed interazioni tra le due diverse tipologie di danno sotto l’azione di carichi statici (buckling, post-buckling) e carichi ciclici.
• Sviluppo di modelli analitico/numerici “fast”, per la predizione del comportamento di strutture in composito, relativi alle condizioni di innesco e di inizio propagazione di delaminazioni.
• Realizzazione di tool per la progettazione preliminare di strutture in materiale composito tolleranti e resistenti al danno (ottimizzazione multi-obiettivo ed analisi probabilistica).
• Sviluppo ed implementazione di modelli per l’analisi di compositi con rinforzo nella direzione fuori dal piano.
• Progettazione preliminare e di dettaglio di componenti strutturali per business aviation (alettoni, pannelli irrigiditi) in composito avanzato (Resin Transfer Moulding ,Liquid Infusion).
• Implementazione di strumenti di design di termo-strutture e sviluppo di nuovi metodi semplificati per il design preliminare al fine di garantire il miglioramento delle performance degli strumenti numerici per il design termo strutturale, di ottenere la riduzione dei costi di design e la minimizzazione dei rischi associati all’utilizzo di materiali UHTC (Ultra High Temperature Ceramics).
• Valutazione dei carichi in volo mediante tecniche estensimetriche e valutazione dei parametri aeroelastici mediante misure accelerometriche (Pre e post flight).
• Valutazione dei carichi di progetto e delle instabilità aeroelastiche per un velivolo in configurazione non convenzionale, con conseguente analisi critica delle normative aeronautiche finalizzata alla effettiva applicabilità delle stesse e messa a punto di procedure ad hoc.
• Messa a punto di una metodologia di valutazione dell’instabilità di flutter in presenza di non linearità concentrate nelle linee di comando ed analisi nel tempo finalizzate alla scelta del meccanismo di eccitazione per il Flight Flutter Test.
• Individuazione e studio di sistemi di Load Alleviation per aeromobili ad elevate performance.
• Valutazione dei carichi da turbolenza atmosferica e delle instabilità aeroelastiche per un velivolo di categoria business jet CS-25.
PROGETTI IN CORSO
• MAAXIMUS (Fin. EU FP7): Il progetto cui sta lavorando un consorzio di 57 partner europei, si propone di sviluppare tecnologie innovative per i compositi al fine di ottenere strutture ottimizzate riducendo notevolmente i tempi di produzione/assemblaggio e di consolidare metodologie di analisi esistenti, qualora ne venga provata l’efficacia, o derivarne di nuove tendendo verso un approccio progettuale non iterativo (Right first time). MAAXIMUS fornirà quindi un ambiente multidisciplinare per il rapido sviluppo di strutture aeronautiche in composito. Il Laboratorio di Analisi e Progettazione Aerostrutturale ha l’obiettivo, nell’ambito del progetto, di sviluppare modelli numerici per la predizione dell’insorgenza e dell’evoluzione del danno in strutture in materiale composito.
• MACMES (Fin. Ministero della Difesa): Nell’ambito del progetto MACMES, CIRA ed ALENIA stanno collaborando per sviluppare metodologie avanzate per la gestione del danno di strutture in materiale composito durante la loro vita operativa (compresi fenomeni legati alla fatica), studiando allo stesso tempo soluzioni innovative basate sull’utilizzo di fibre ottiche “embedded” per monitorare il comportamento di strutture in composito di dimensioni significative (componente, sub-componente) in presenza di danneggiamento.
• GLFEM (Fin. EU FP7): Il progetto GLFEM si propone di definire metodi innovativi per la connessione di modelli strutturali differentemente discretizzati. La metodologia di connessione di un modello locale e di uno globale, caratterizzati da differenti livelli di dettaglio, sarà applicabile ad una casistica di ampio respiro in termini di tipologia di analisi (non lineare statica, stabilità, dinamica), di scale di analisi (da modelli elementari di composito a componenti di strutture aeronautiche di grandi dimensioni), di materiale (metallo, composito). Ciò consentirà di eseguire analisi global/local su modelli creati da differenti partner e di limitare il costo computazionale delle analisi pur mantenendo elevato il grado di accuratezza delle stesse.
• USV4 (Fin. PRORA,DSTO): Il CIRA e la University of Queensland (UQ), supportati dal Defence Science and Technology Organisation (DSTO), stanno collaborando per la progettazione di una configurazione USV in scala, da provare in condizioni di volo ipersonico controllato (Mach 6-8) presso il Woomera Test Range in Australia.
• HAPD (Fin. PRORA): L'obiettivo del progetto è la realizzazione di un dimostratore volante senza pilota che consenta di validare metodologie avanzate di modellazione di velivoli caratterizzati da elevata flessibilità strutturale, caratterizzati da una significativa sovrapposizione tra le frequenze proprie della struttura e quelle tipiche della meccanica del volo, sia dal punto di vista aerostrutturale che da quello delle logiche di comando e controllo.
• CESAR (Fin EU-FP6): L’obiettivo del progetto è la definizione di un nuovo concetto progettuale per velivoli commerciali di piccole dimensioni che consenta, tramite il miglioramento di alcune tecnologie, una significativa riduzione del time-to-market ed una diminuzione dei costi di sviluppo, operazionali e di manutenzione, tenendo comunque in considerazione, la sicurezza, il confort dei passeggeri e l’impatto ambientale. Contributi del Laboratorio al progetto riguardano sia lo sviluppo di metodi per la valutazione della resistenza e la tolleranza al danno di strutture in composito che analisi di tipo aeroelastico in presenza di non linearità strutturali concentrate nelle linee di comando.
• PFLUTTER: Analisi delle Instabilita' Aeroelastiche, in accordo alle normative di aeronavigabilita' EASA CS-25, per il velivolo della categoria business jet P1XX della societa' Piaggio Aero Industries.
• PGUST: Valutazione dei carichi esterni dovuti alla turbolenza atmosferica per il velivolo della Piaggio P1xx in accordo alla Normativa di Aeronavigabilità EASA CS-25 par. 25.341.
• JTI (Fin. EU FP7): Il programma JTI Clean Sky ha come obiettivo principale quello di individuare, sviluppare e dimostrare in volo le tecnologie per una nuova generazione di velivoli (ad ala fissa e rotante) capace di ridurre significativamente l’impatto ambientale in tutte le sue operazioni di volo. Il Laboratorio è coinvolto in due attività riguardanti il processo di valutazione dei carichi di progetto: un metodo integrato per la valutazione dei carichi ed il progetto strutturale ed un approccio “time-saving” per la valutazione dei carichi interni.
• ALEF (Fin. EU FP7): Il progetto ha come obiettivo quello di consentire alle industrie aeronautiche europee di creare modelli aerodinamici completi dei loro velivoli basati su approcci numerici riducendo così il numero di test sperimentali richiesti. Il Laboratorio lavora alla valutazione di carichi su configurazioni complesse, tenendo in considerazione la deformazione della struttura alare, da comparare con codici Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS).
CUSTOMER & PARTNERS
Università di Napoli ‘Federico II’ DPA-DIMP,
Università di Roma “La Sapienza” DIAA,
Seconda Università di Napoli DIAM,
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Contatto
Domenico Tescione
Tel. +39 0823 623234
email: d.tescione@cira.it
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