Dimensionamento cassone alare
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Transcript of Dimensionamento cassone alare
Airframe Structural Design & Sizing
References:
- Appunti di Costruzioni Aeronautiche
- Airframe Structural Design – Michael Niu
- Airframe Stress Analysis and Sizing – Michael Niu
Ing. Angelo De Fenza – [email protected]
Esercitazioni del corso di Strutture Aerospaziali Avanzate - Prof. L. Lecce
Aspetti da tenere in conto in un progetto Strutturale Aeronautico
durata della vita,
manutenzione ed
ispezionabilità,
corrosione,
stabilità elastica,
stabilità dinamica,
sicurezza,
costo ed affidabilità,
leggerezza,
problemi termici,
“crash”.
La struttura assicura il mantenimento della forma funzionale sotto l’azione dei carichi, a cui viene sottoposto l’aeromobile durante le sue normali operazioni
Spaccato del bordo di attacco di un’ala
Spaccato della parte anteriore di una fusoliera
Ogni parte principale di un velivolo (ala, fusoliera, piano orizzontale, piano verticale) ai fini strutturali può essere considerata una trave...
…ognuna di tali travi è costituita da elementi longitudinali (longheroni, solette, correnti), che assicurano principalmente la resistenza e la rigidezza flessionale e dal rivestimento oltre che da altre lamiere (quali le anime dei longheroni), che assicurano la resistenza e la rigidezza a taglio ed a torsione.
Strutture a guscio e strutture ad elementi concentrati
Struttura a guscio puro: esempio concreto di struttura costituita da solo rivestimento lavorante.
Struttura a guscio pratico: struttura costituita dal rivestimento (collaborante) ed elementi longitudinali e trasversali
• Il rivestimento (da solo) assicura
la funzione strutturale
• Per una fusoliera gli spessori del guscio atti ad assicurare una sufficiente stabilità del rivestimento a flessione (compressione) e torsione (taglio), sarebbero enormi.
• Rivestimento suddiviso in pannelli di dimensioni ridotte attraverso l’uso di elementi longitudinali, correnti, e trasversali, centine od ordinate.
• Maggiore stabilità
• Spessori ridotti (skin)
• Peso complessivo più basso
Struttura a longheroni: esempio concreto di struttura alare costituita dal rivestimento (collaborante) ed elementi longitudinali (longheroni, correnti) e trasversali (centine)
longheroni
correnti
Struttura a longheroni & Cassone alare (wing box)
Il carico sull’ala ha una componente normale al piano delle corde per cui, per garantire la stabilità strutturale sono necessarie delle travi, dette appunto longheroni.
Un longherone in effetti è una trave, capace di assorbire sforzi di taglio e di flessione
Solette: capaci di assorbire sforzi normali Anima: capace di assorbire sforzi di taglio
Affinché la struttura sia capace di assorbire anche una sollecitazione torsionale, occorre chiudere la sezione, utilizzando il rivestimento.
La forma, per ragioni di peso, risponde al requisito della centrifugazione delle aree
Struttura a longheroni & Cassone alare (wing box)
Si definisce cassone alare praticamente la struttura lavorante dell’ala. Il termine è particolarmente appropriato per le strutture bilongherone metalliche: i due longheroni ed il rivestimento formano un effettivo cassone, particolarmente robusto e rigido a torsione, oltre che nella sua estensione lungo l’apertura anche robusto e rigido a flessione
3D CAD view di un cassone alare
Schematizzazione ad elementi concentrati
Tipologie di cassoni alari
a) Cassone alare tipico (bilongherone), usato per profili standard
b) Cassone alare trilongherone (three spar wing), usato per profili non convenzionali es. con spessore massimo arretrato
Struttura a longheroni & Cassone alare (wing box)
c) Cassone alare multi-longherone (multi-spar wing), usato per profili supersonici dove i carichi aerodinamici sono molto alti
d) Cassone alare irrigidito con correnti (stringer)
Tipologie di correnti: Skin-stringer, Integrated Stringer
Struttura a longheroni & Cassone alare (wing box)
Skin-stringer Integrated Stringer
Vantaggi della configurazione Integrated Stringer:
• incremento del massimo carico di compressione;
• incremento della efficienza delle giunzioni sotto l’azione dei carichi di tensione;
• miglioramento delle performances aerodinamiche legato allo skin esterno più levigato;
• struttura più leggera
Tipologie di Longheroni (Spars)
Struttura a longheroni & Cassone alare (wing box)
L’anima del longherone, ove si prospetti l’opportunità, può essere alleggerita mediante fori imbutiti. Si può dimostrare che un’anima con fori opportunamente imbutiti è equivalente sotto il profilo della resistenza e della stabilità strutturale ad un’anima non forata e quindi più pesante.
Struttura a longheroni & Cassone alare (wing box)
Condizioni critiche per l’ala: ultimate design stress
Massimo stress che si sviluppa nelle varie sezioni alari, in condizioni di crociera
Le sezioni più critiche sono quelle alla radice dell’ala: -385MPa & 310MPa
Il corretto dimensionamento del cassone alare è di estrema importanza per la stabilità strutturale dell’intero velivolo
Cassone alare come Struttura ad elementi concentrati
Una generica struttura può essere rappresentata con una struttura equivalente ad elementi concentrati
Il cassone è assimilabile ad una struttura chiusa, capace quindi di sopportare uno sforzo di taglio comunque collocato nel piano della sezione stessa. I quattro flussi di taglio q1, q2, q3, e q4 sono linearmente dipendenti, quindi ci saranno 4 incognite e 3 equazioni. La quarta equazione da utilizzare è l’equazione di equilibrio dei momenti nel piano della sezione.
Dimensionamento di un’ala monolongherone
Step da seguire: 1. Individuare la sezione alare da
dimensionare (es. root, tip); 2. Stima dei carichi agenti sulla
struttura; 3. Calcolo delle sollecitazioni agenti
nella sezione considerata;
4. Dimensionamento del longherone (soletta ed anima) capace di assorbire flessione e taglio;
5. Dimensionamento della sezione alare capace di assorbire tutto il momento torcente
Dimensionamento di un’ala monolongherone
Overview carichi:
in ogni sezione dell’ala, il taglio T sarà esclusivamente assorbito dall’anima del longherone mentre il momento flettente Mf sarà assorbito dalle due solette del longherone mediante sforzi di trazione e compressione. Il momento torcente Mt viene invece assorbito dal cassone alare, che e quella parte di sezione alare delimitata dal rivestimento del bordo d’attacco e dall’anima del longherone. La parte della sezione alare posteriore al longherone, necessaria dal punto di vista aerodinamico, viene qui ad avere solo funzioni di forma e non ha compiti “strutturali”.
si ottiene che l’area delle solette è dato da: poiché la distanza hf, tra i baricentri delle solette è data da
Dimensionamento di un’ala monolongherone
4. Dimensionamento del longherone: calcolo delle solette che devono assorbire il Mf
Ipotesi: condizioni di volo diritto; il carico risultante verticale diretto verso l’alto. Le solette del longherone vanno dimensionate in modo che la soletta superiore resiste agli sforzi di compressione e quella inferiore a quelli di trazione. Pertanto le aree delle solette potrebbero essere uguali (longherone simmetrico) o meno (longherone asimmetrico). Nel nostro caso tratteremo solo il caso del longherone simmetrico. In riferimento alla figura, ammettendo che su ciascuna soletta la sollecitazione sia uniformemente distribuita su tutta la sezione, si può ritenere che essa sia equivalente alla risultante Fs applicata nel baricentro della soletta, per cui il momento flettente sarà dato da:
Poiché l’area di ciascuna soletta deve assorbire una sollecitazione massima ammissibile data da:
Risulta quindi:
Per calcolare la lunghezza di ciascuna soletta basta fissarne l’altezza hs, dal momento che tutte le altre grandezze sono “note”. Mf si ottiene, infatti, dal diagramma del momento (nella sezione considerata), σamm dipende dal materiale delle solette e Smax e un dato inizialmente noto poiché corrisponde allo spessore massimo del profilo adottato (in realtà tale valore viene leggermente ridotto, essendo il profilo curvo, di una quantità proporzionale alla curvatura del profilo stesso, in media pari al 5%).
Dimensionamento di un’ala monolongherone
4. Dimensionamento del longherone: calcolo dell’anima che deve assorbire il taglio T
Dopo aver dimensionato le solette occorre verificare l’anima del longherone per la sollecitazione di taglio.
Poiché sappiamo che gli sforzi di taglio t variano lungo l’altezza h della
sezione parabolicamente passando dal valore nullo sulle fibre esterne al valore massimo in corrispondenza dell’asse neutro e che tale valore per
una sezione di forma rettangolare e paria 3/2 del valore della t media si
ottiene: Sostituendo inoltre
Otteniamo:
Determinate le dimensioni del longherone, si è verificata la struttura a flessione e taglio.
L’ultima verifica da fare è quella a torsione e quindi il dimensionamento dello spessore della lamiera del bordo d’attacco. Infatti in un’ala monolongherone, il momento torcente viene assorbito da quella parte di sezione alare delimitata dal rivestimento del bordo d’attacco e dall’anima del longherone. Noto il materiale della lamiera ( e quindi la sua t_amm) il suo spessore si può ricavare attraverso la teoria di Bredt relativa ai tubi a pareti sottili, secondo la quale il momento torcente e dato da: da cui imponendo:
otteniamo che lo spessore del rivestimento è pari a:
Dove:
• A è l’area che collabora all’assorbimento del carico (l’area della superficie racchiusa tra la lamiera e l’anima del longherone)
• Mt è il momento torcente aerodinamico
Dimensionamento di un’ala monolongherone
5. Dimensionamento della sezione alare capace di assorbire tutto il momento torcente, Mt
La rigidezza torsionale dell’ala (B) si calcola con l’espressione dove: in particolare nel caso in cui la struttura sia formata da lamiere di spessore differente l’espressione c/t viene sostituita dalla sommatoria.
Una volta nota la rigidezza torsionale, l’angolo di torsione massimo (per una semiala di apertura L e rigidezza B) sarà dato dalla formula (in radianti): Esso rappresenta la rotazione dell’estremità rispetto alla radice e non può mai essere troppo elevato (non superiore a 4° per i velivoli di una certa classe). Un valore troppo elevato rischierebbe, infatti, di aumentare eccessivamente l’angolo di incidenza con conseguente variazione delle forze aerodinamiche In tal caso bisogna necessariamente aumentare la rigidezza torsionale B dell’ala andando ad aumentare lo spessore del lamiera del bordo d’attacco.
Dimensionamento di un’ala monolongherone
5. Valutazione della rigidezza torsionale e l’angolo di torsione massimo dell’ala dovuto a Mt