VII
Sommario
Questa tesi di laurea ha lo scopo di approfondire le tematiche trattate in una precedente tesi di laurea intitolata: “Effetti della forma in pianta sulla polare di ali di elevato allungamento:
confronto tra un ala a freccia e una con forma in pianta curva”.
Il lavoro si concentra nel confrontare il comportamento aeroelastico statico di una semiala con forma in pianta curva e una semiala a freccia tradizionale, entrambe pensate incastrate alla radice.
Le due strutture alari hanno stessa semiapertura alare (b/2=30m), stessa aerea in pianta (S=239m2), stesso tipo di profilo supercritico (Nasa SC2-0410), utilizzato lungo tutto l’apertura della semiala con rapporto di rastremazione fissato (λ=0.119). (Capitolo 5)
In prima istanza, viene condotta un’analisi di confronto puramente fluidodinamica grazie all’utilizzo del software CFD Star-CCm+® 6.04.014. (Capitolo 6).
In questa prima analisi i due modelli sono impostati come completamente rigidi e nel computo delle forze aerodinamiche agenti sull’ala non sono considerati gli effetti di deformazione dell’ala dovuti al peso della struttura, del carburante imbarcato e alle forze aerodinamiche stesse.
Il presente lavoro è, tuttavia, volto a studiare e a confrontare le due semiali con diversa forma in pianta nel caso di struttura deformabile.
Grazie all’impiego del software FEM Abaqus® 6.11, il modello strutturale delle due ali è stato realizzato (Capitolo 8).
Le due strutture hanno lo stesso numero di longheroni, di correnti e di centine.
Le dimensioni di tutti gli elementi strutturali e lo spessore della pelle del dorso e del ventre sono le stesse. Le due semiali hanno le stesse proprietà elastiche e di massa.
Sono state eseguite alcune analisi preliminari per verificare il comportamento dinamico delle due strutture alari in assenza di interazione con il campo aerodinamico. Si esegue l’analisi modale delle due strutture sia in assenza di carburante, sia con i serbatoi pieni, sia con la presenza del motore in ala (Capitolo 8).
E’ necessario verificare che entrambe le strutture siano ben dimensionate in maniera che le successive analisi aeroelastiche conducano a risultati accettabili.
VIII
Il nodo centrale della tesi consiste nell’analisi di tipo aeroelastica statica e dinamica che è finalizzata al confronto delle polari delle due ali in presenza degli effetti di deformabilità.
(Capitolo 10).
Il recente sviluppo di codici per la simulazione fluidodinamica (CFD) come Star-CCm+® 6.04.014 e strutturale (FEM) come Abaqus® 6.11 permette di mettere a punto modelli che simulano con grande accuratezza la realtà delle singole discipline della fisica e dell’ingegneria.
I fenomeni aeroelastici comportano una interazione tra campo aerodinamico e struttura e ciò ha portato allo sviluppo di metodi numerici dedicati ad accoppiare codici CFD e FEM, già esistenti sul mercato.
Per effettuare una simulazione “accoppiata” bisogna porre attenzione al problema del passaggio delle informazioni riguardanti i carichi e gli spostamenti tra le griglie superficiali fluida e strutturale, che solitamente non coincidono.
Nel presente lavoro i due modelli uno per l’analisi strutturale e l’altro per l’analisi fluidodinamica sono stati realizzati con una procedura tale da garantire una corrispondenza precisa fra le superfici di contorno delle ali, per far si che la “co-simulazione” si attivasse senza problemi particolari. (Capitolo 5).
Un altro aspetto importante riguarda la rigenerazione della griglia fluidodinamica che si rende necessaria per “inseguire” la deformata della griglia strutturale.
In questa tesi la simulazione aeroelastica viene implementata utilizzando il software fluidodinamico Star-CCm+® 6.04.014 e il software strutturale Abaqus® 6.11, i quali, hanno al loro interno i moduli di interfaccia necessari per la co-simulazione. (Capitolo 9).
Al primo “step” della co-simulazione il codice Star-CCm+® 6.04.014 calcola la pressione normale e gli sforzi tangenziali in tutti i nodi interni al campo fluidodinamico e sui nodi della superficie di interfaccia della griglia fluidodinamica che coincide con la superficie di interfaccia della griglia strutturale. Al termine di questo “step” tali pressioni vengono
“rimappate” sulla superficie di interfaccia della griglia strutturale e il codice Abaqus® 6.11 calcola gli spostamenti nodali relativi a tali distribuzioni di pressione. (Capitolo 9).
Al termine dello “step” strutturale tali spostamenti vengono “rimappati” sui nodi d’interfaccia della griglia fluidodinamica innescando così il meccanismo di rigenerazione della griglia fluidodinamica nel suo insieme. (Capitolo 9).
IX
Al fine di al meglio rappresentare la situazione reale gli “steps” devono corrispondere ad intervalli temporali sufficientemente piccoli in modo che ogni variazione della configurazione delle griglie possa avvenire gradualmente al fine di raggiungere la convergenza della soluzione in maniera accettabilmente corretta.
Tale processo prosegue fino al completamento della storia temporale inserita nei dati di ingresso.
Il metodo sopra esposto e’ stato applicato per realizzare una serie di simulazioni aeroelastiche statiche dei due modelli di ala. (Capitolo 10).
Successivamente è stato applicato per studiare la risposta dinamica delle due ali in presenza delle azioni aerodinamiche. (Capitolo 11).
La realizzazione dei due modelli è stata fatta con il software CAD 3D Catia® V5R20. Per far si che non ci fossero problemi di congruenza fra le griglie fluidodinamiche e strutturali i modelli sono stati realizzati con una procedura messa a punto. (Capitolo 5).
In primo luogo è stato creato il modello dell’ala per eseguire l’analisi in Abaqus® 6.11.
Successivamente è stato costruito un volume fluido rappresentante il campo aerodinamico in cui viene immersa l’ala. Da tale volume l’ala precedentemente realizzata è stata sottratta con operazione booleana. Il modello per la simulazione (CFD) così realizzato risulta perfettamente complementare al modello FEM. (Capitolo 5).
