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Valutazione della stabilità di correnti in materiale composito soggetti a compressione mediante analisi agli elementi finiti

Informazioni tesi

  Autore: Mirko Iannone
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2009-10
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Aerospaziale
  Relatore: Attilio Salvetti
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 279

Il crescente utilizzo dei materiali compositi nelle strutture aeronautiche, con i relativi vantaggi in termini ponderali, necessita di nuovi ed avanzati approcci alla progettazione delle strutture stesse. Fanno parte dei nuovi strumenti di progettazione i software di analisi strutturale, basati su metodi agli elementi finiti, integrati in ambienti di calcolo multidisciplinari capaci di gestire in modo automatico più configurazioni, diverse tra loro, delle strutture in esame. Obiettivo della tesi è di utilizzare tali strumenti per studiare il comportamento di correnti in materiale composito soggetti a compressione. I correnti rappresentano gli elementi di irrigidimento in uso nelle strutture a guscio di tipico impiego aeronautico. In particolare è stato studiato il comportamento non lineare dei correnti soggetti a compressione assiale, definendo idonee procedure di individuazione del carico critico in funzione del tipo di instabilità al quale il corrente va incontro. Sono state studiate numerose configurazioni di correnti che si diversificano per forma della sezione, rapporti dimensionali, contenuto percentuale di orientamenti del laminato e sequenza di impilamento. Mediante l’uso integrato di ABAQUS, per l’analisi, e modeFRONTIER per l’automazione del processo di calcolo, si sono ottenute delle superfici di risposta rappresentanti i risultati in funzione delle principali variabili di progetto. L’automazione completa del processo di calcolo ha permesso un notevole risparmio di tempo rispetto alla preparazione manuale dei modelli delle singole configurazioni, permettendo anche di effettuare numerosi studi di sensibilità alla variazione dei parametri di calcolo finalizzati a rendere lo strumento di calcolo efficiente e robusto. Interessanti sono le considerazioni che si possono fare sugli andamenti dei risultati in funzione delle varie configurazioni dei correnti; il confronto tra i risultati ottenuti per le diverse configurazioni mette in evidenza le caratteristiche, quali la forma, le dimensioni e le proprietà caratteristiche del laminato, che migliorano il comportamento a compressione (maggior carico critico) dei correnti.

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Introduzione VI Introduzione Elevati rapporti tra resistenza e peso, con elevate affidabilità, costituiscono i parametri fondamentali per la progettazione delle strutture aeronautiche. L’utilizzo dei materiali compositi in ambiente aeronautico permette la costruzione di strutture molto resistenti, con elevata rigidezza e peso contenuto rispetto ai materiali metallici convenzionali. Le caratteristiche anisotrope dei materiali compositi, con una attenta valutazione e conoscenza direzionale dei carichi di esercizio di un aeromobile, possono migliorare il vantaggio del loro utilizzo mediante l’orientamento delle fibre in funzione dei carichi, e conseguente riduzione del peso rispetto ai materiali convenzionali fino a valori del 30%. Le prime applicazioni di materiali compositi avanzati, mediante l’utilizzo di fibre continue di Boro o Carbonio annegate in matrici di resina epossidica con caratteristiche meccaniche di elevata rigidezza ed alta resistenza, si hanno a partire dai primi anni 60 in ambiente militare americano, per la costruzione di parti strutturali o intere superfici aerodinamiche dei velivoli, ad esempio i piani di coda dell’F-111 e dell’F-14 ed anche parti strutturali dell’F-16 [5]. In campo civile l’adozione dei materiali compositi è avvenuta in tempi successivi, con utilizzo sempre maggiore nel tempo, passando da strutture secondarie tipo l’equilibratore di coda del Boeing 727, a strutture primarie tipo il piano di coda orizzontale del Boeing 737, fino ai giorni nostri con la realizzazione del Boeing 787 nel quale le strutture primarie, tra cui le ali e la fusoliera, sono realizzate al 50% da materiali compositi [17]. Nella Figura 1 viene rappresentato a titolo di esempio il progressivo utilizzo dei materiali compositi nelle parti che compongono i velivoli commerciali convenzionali. La riduzione del peso strutturale è il vantaggio fondamentale nell’uso dei materiali compositi: per velivoli commerciali, a parità di payload e di tratta, si hanno risparmi considerevoli di carburante, che si traduce anche in una diminuzione degli agenti inquinanti immessi nell’atmosfera; per velivoli militari il vantaggio si può evidenziare con capacità di missioni più estese e raggiungimento di velocità più elevate. Rispetto ai metalli il costo delle materie prime, della progettazione, dei componenti di prova per le certificazioni e della produzione di prototipi ed attrezzature è più elevato. Tuttavia attente valutazioni innovative di progettazione delle strutture, l’eliminazione o la riduzione di elementi di fissaggio ed il progressivo aumento dell’automazione del processo di fabbricazione, portano ad abbattere nel tempo gli elevati

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Parole chiave

materiali compositi
instabilità
buckling
abaqus
modefrontier

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