Analisi aeroelastica agli elementi finiti di un inseguitore solare biassiale e progetto di un sistema passivo di stabilizzazione dinamica

Il fenomeno del flutter è una vibrazione aeroelastica autoeccitata che si instaura in una struttura in moto relativo rispetto a un fluido, quando si verificano particolari condizioni. Il flutter può sempre verificarsi in ambito aeronautico, nelle strutture “flessibili” dell’ingegneria civile e nelle applicazioni industriali e meccaniche (sistemi rotanti, rotori di elicotteri, eliche, turbine, palettature di turbomacchine, schiere rotoriche, instabilità d’asse di un condotto percorso da un fluido) è legato alle variazioni delle forze aerodinamiche conseguenti al diverso orientamento che le parti della struttura, a causa delle loro stesse oscillazioni, assumono rispetto alla direzione del vento-flusso relativo.
Il flutter (nell’accezione più ampia) configura una risposta oscillatoria, che presenta ampiezza, velocità e accelerazione crescenti nel tempo, con un conseguente aumento dell’energia cinetica, tale energia è fornita dalle forze esterne, se queste sono conservative il loro lavoro viene tuttavia compiuto a spese di un potenziale ed è limitato e pertanto l’instabilità non si verifica, il flutter può quindi essere indotto solo da forze non conservative (vento, fluido). Una volta innescatasi una vibrazione autoeccitata, l’energia cinetica della corrente-flusso d’aria che viene ad alimentarla è in così larga misura superiore all’energia che può essere assorbita dalla struttura da determinarne la rottura, in altri termini l’energia trasferita (estratta) dal fluido alla struttura risulta maggiore di quella dissipata e può condurre, quindi, al collasso della struttura se le tensioni che si raggiungono superano i valori di resistenza del materiale.
La stabilità o meno dell’oscillazione è dunque normalmente funzione della velocità relativa vento-struttura ed è quindi possibile definire dei valori critici della velocità, raggiunti i quali il flutter assume estrema pericolosità. E’ da tener presente che l’instabilità può verificarsi anche per una velocità critica relativamente bassa se la sezione della struttura è tale da favorire questo tipo di fenomenologia per esempio anche tramite la formazione e il distacco dei vortici di Von Kármán che innescano-amplificano le oscillazioni. E' possibile prevenire l’instabilità aeroelastica mediante: una elevata rigidezza strutturale specie a torsione, posizionando opportunamente l’asse elastico e quello baricentrico nelle varie sezioni della struttura, un rigoroso bilanciamento delle superfici, oltre che con prove sperimentali sulle strutture nella galleria del vento a strato limite sviluppato e con sofisticati calcoli matematici e simulazioni numeriche. Nell’ambito del fenomeno di flutter è possibile distinguerne tre tipologie:
1. di sole oscillazioni verticali (flutter ad un grado di libertà);
2. di sole oscillazioni torsionali (stall-flutter);
3. di oscillazioni combinate di torsione e flessione verticale (flutter classico).
Di tali tipologie quella più frequente è quella combinata di torsione e flessione verticale. La condizione di flutter classico è raggiunta quando le frequenze delle oscillazioni verticali e torsionali, che cambiano al crescere della velocità, ad una data velocità divengono eguali tra loro e con periodi opportunamente sfasati.
Diversamente dal fenomeno di distacco dei vortici, una volta che è stata raggiunta la velocità critica di flutter incipiente, la condizione di instabilità può permanere anche all’incrementare della velocità del vento; questo evidenzia subito come questa tipologia di fenomeno sia molto più pericolosa.
E’ doveroso ricordare che, in generale, il flutter, in tutte le sue forme, coinvolge fenomeni aerodinamici non lineari. Tuttavia, sotto opportune ipotesi, è possibile linearizzare le forzanti indotte dall’interazione fluido-struttura e dunque studiare la soglia di stabilità della struttura.