1 INTRODUZIONE
1.1 Inquadramento tematico
Nel presente lavoro sono state prese in esame tipiche strutture di fusoliera di velivoli commerciali.
Una fusoliera è una struttura complessa, alla quale si richiede di soddisfare diversi requisiti: strutturali (trasmettere carichi di flessione, torsione e taglio, contenere la pressurizzazione, essere di minimo peso, avere un adeguato comportamento a fatica,…) e commerciali (economicità di operazione e manutenzione).
In dipendenza dal tipo di velivolo e dalla sua missione, la fusoliera ha dimensioni estremamente variabili e le sezioni possono assumere forme assai differenti.
Restringendo l’attenzione ai velivoli da trasporto per impieghi civili, le fusoliere presentano un tronco centrale di forma cilindrica con sezione la cui forma può variare, da velivolo a velivolo, da circolare a ellittica a bilobata fino a forme più complesse dettate da requisiti particolari; in Figura 1.1 e Figura 1.2 sono riportate alcune sezioni di velivoli commerciali attualmente in servizio.
Comunque pur nella varietà delle soluzioni costruttive adottate dalle varie industrie, si possono individuare alcuni componenti tipici sempre presenti, quali rivestimento, correnti, ordinate, clips di collegamento (stringer-ties, shear-ties) e tear-strap.
Con lo scopo di analizzare questo tipo di struttura, sia da un punto di vista progettuale che di verifica strutturale, sono stati effettuati, nel Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa, diversi studi. Il primo lavoro di tesi [1] si è occupato di metodi per il progetto ottimizzato di strutture irrigidite di fusoliera di velivoli commerciali. In questo lavoro [1], abbandonando la trattazione semplificata della teoria elementare, sono stati utilizzati metodi più accurati, come, per esempio, il “Load Coefficient Method” per il dimensionamento dell’ordinata. Questa trattazione ha poi permesso di creare delle procedure di ottimizzazione strutturale, che mediante l’uso
di algoritmi gradientali, ricercano le variabili di progetto relative alla soluzione di minimo peso.
Figura 1.1: Sezione di fusoliera del Boeing 717 e del Boeing 707.
Figura 1.2: Sezione di fusoliera del Boeing 737 e del Boeing 747.
In una fase successiva si è avvertita la necessità di uno strumento che fosse in grado di analizzare le strutture generate dalle suddette procedure di progetto ottimizzato e verificare le adeguatezze delle soluzioni individuate. Una seconda tesi di laurea, [2] si è
l’uso del software ANSYS). E’ stato necessario, individuare una configurazione tipica, cui far riferimento (si veda la Figura 4.1). In particolare nel lavoro di tesi [2], è stato studiato un tronco di fusoliera, appartenente alla zona cilindrica della stessa, priva di brusche variazioni di geometria, posta a valle dell'attraversamento alare. La struttura a guscio irrigidita è stata vincolata in prossimità dell'attraversamento alare e soggetta a sollecitazioni di flessione e taglio. Con tale lavoro si sono ottenuti gli andamenti delle tensioni longitudinali nel rivestimento ed i flussi di taglio trasmessi dalle ordinate. I risultati hanno evidenziato che gli andamenti delle tensioni nei pannelli sono molto vicini a quelli previsti dalla teoria elementare. I limiti di questo modello sono dovuti essenzialmente all’impossibilità di generare con ANSYS geometrie particolarmente complesse, e conseguentemente la geometria del modello utilizzato per l’analisi è stata fortemente semplificata. Questa esperienza è stata comunque molto utile, soprattutto per fissare alcune grandezze della configurazione da analizzare (per esempio, il numero di baie del tronco, il tipo di vincolo in prossimità dell’attraversamento alare, le condizioni di carico, etc.).
1.2 Obiettivi
Nel proseguire la ricerca di un ulteriore strumento di analisi e verifica, sono stati individuati gli obiettivi, per le quattro fasi in cui si articola il processo: modellazione, meshatura, soluzione ed analisi dei risultati. Possono essere riassunti brevemente nei seguenti punti:
• ricercare un modellatore che consenta di definire geometrie complesse, in
maniera rapida e di semplice utilizzazione;
• interfaccia utente di semplice uso;
• generare modelli parametrici, in modo da poter effettuare facilmente analisi su
una vasta gamma di configurazioni;
• avere a disposizione uno strumento di meshatura che permetta di gestire
agevolmente geometrie complesse;
• realizzare un’analisi agli elementi finiti sufficientemente accurata, compatibile
Fra i vari software di modellazione ed analisi agli elementi finiti disponibili presso il D.I.A., si è deciso di utilizzare CATIA V5. Sono state diverse le motivazioni che hanno spinto all’adozione di questo software per la realizzazione di questo lavoro in tutte e tre le sue fasi (generazione modello, mesh modello e analisi modello). Si possono riassumere nei seguenti punti:
• capacità di gestione di modelli particolarmente complessi, caratterizzati da un
numero notevole di componenti;
• modellazione parametrica dei componenti e degli assiemi; • possibilità di importare parametri da file di testo esterni;
• presenza di un ambiente integrato per la generazione di mesh parametriche; • solutore FEM integrato nell’ambiente di modellazione di facile utilizzazione
anche da parte di utenti non esperti.
E’ stato posto l’obiettivo di generare e studiare modelli sufficientemente rappresentativi della struttura, definita in base alla configurazione tipica stabilita in [2]. I modelli generati dovranno essere parametrici non solo nelle dimensioni, ma anche nelle forme di alcuni componenti (ad esempio, i correnti) e nel loro posizionamento relativo. Le strategie di modellazione sono state sviluppate cercando di consentire la modifica dei parametri di progetto con semplici procedure e garantendo un buon livello di automatismo ed affidabilità.
Le analisi agli elementi finiti condotte nel presente lavoro di tesi sono state effettuate con lo scopo di dimostrare la validità dell’approccio proposto ed individuare gli eventuali punti critici rispetto alle metodologie di modellazione, meshatura, soluzione e post-processing dei risultati.
1.3 Presentazione degli argomenti trattati
Una descrizione della struttura del software CATIA verrà fornita nel Capitolo 2, con lo scopo di chiarire le sue potenzialità, sottolineando il carattere innovativo rispetto ad altri codici della stessa classe, ma anche evidenziando gli eventuali limiti.
Una descrizione schematica del funzionamento della procedura di modellazione ed analisi, realizzata in un ambiente integrato CATIA V5 – MATLAB, verrà fornita nel Capitolo 3.
Nel Capitolo 4 verrà trattata la fase di modellazione del processo. In particolare verrà fornita una descrizione della configurazione base del tronco di fusoliera da modellare ed i parametri di progetto che la caratterizzano. Verranno descritte le problematiche relative al dimensionamento della struttura e alla modellazione dei componenti ed infine verranno mostrati i modelli generati per le analisi agli elementi finiti che sono state effettuate.
Le problematiche relative alla fase di generazione della mesh dei modelli verranno trattate nel Capitolo 5.
Per quanto riguarda la fase di analisi (trattata nel Capitolo 6), nel presente lavoro l’attenzione è stata limitata ai carichi di massa ed il carico trasmesso dal piano di coda orizzontale (di natura aerodinamica), escludendo gli altri carichi di natura aerodinamico, più difficilmente definibili, e quelli indotti dalla pressurizzazione; questo ha permesso di effettuare analisi di tipo lineare per quanto riguarda gli spostamenti.
In particolare l’attenzione si è concentrata sugli effetti dei carichi sulle distribuzioni delle tensioni nell’ordinata e nel guscio, nonché sulle modalità di trasferimento dei flussi di taglio tra rivestimento ed ordinata, lungo il perimetro della sezione.
Considerazioni conclusive sui risultati ottenuti e sugli eventuali futuri sviluppi del presente lavoro verranno riportate nel Capitolo 7.
