Costruzioni aeronautiche 1

L

effetti significativi, mentre ad elevate velocità accade che le forze fluidodinamiche

tengono a modificare la forma del velivolo (elastico)-

Poiché da quest’ultima dipende la portanza, ci sarà una variazione di portanza, e

quindi delle forze aereodinamiche che agiscono sul profilo. A loro volta, queste

modificheranno di nuovo la forma e il ciclo si ripete.

Se le forze sono tali da smorzare gli effetti di variazione sul profilo aerodinamico:

→ →

il velivolo si stabilizza ciclo è vantaggioso.

Se le forze sono tali da amplificare gli effetti di variazione sul profilo aerodinamico:

→ Rottura componenti ciclo è svantaggioso.

→

La virtuosità o non virtuosità di un solo ciclo, dipende in gran parte dalla velocità: oltre la

Velocità critiche aeroelastiche, il comportamento è negativo. Nella progettazione si deve

garantire una stabilità aeroelastica nel range di velocità in cui si lavora. 1

Fatica

Il 1° volo dinamico propulso compiuto dai fratelli Wright (1903). Inizialmente si

impiegavano motori ad elica che implicavano tutta una serie di svantaggi:

Limitazioni nella quota di volo (elica inefficace oltre certi limiti)

 Infatti, i viaggi erano poco confortevoli, perché si sentivano più turbolenze

Performance base ma avvantaggiati nelle manovre

 e

Più grande era il motore, maggiore era il rumore

 Poca affidabilità



Durante la Guerra Mondiale, già esistevano velivoli commerciali a elica. L’introduzione

1

dei motori a getto ha portato la rivoluzione nella storia dell’aviazione.

1

Comet-De-Havilland = 1° velivolo civile con motore a getto (di invenzione britannica).

Con questo si introdussero molte innovazioni:

integrato nell’ala

→motore pressurizzata (motore a getto; funziona bene ad alte quote, almeno 10000 ft,

→Cabina

dove un uomo non respira).

Questi aerei iniziarono a cadere quasi simultaneamente.

Analizzandoli scoprirono che il problema era la Fatica:

Maggiori velocità portavano carichi maggiori che incidevano sull’integrità dei materiali;

➢ Cicli di pressurizzazione avevano portato a fratture e alla rottura del velivolo. Le rotture

➢ nacquero nelle finestre che allora erano quadrate, infatti se prima i velivoli volavano

bassi e non avevano problemi di pressurizzazione e di concentrazione di stress agli

angoli, ora la presenza di spigoli vivi aveva facilitato la formazione di cricche in

prossimità delle giunzioni e delle finestre. (in genere gli spigoli vivi generano stress 3-4

volte maggiori di una forma senza spigoli vivi).

Da allora si progettano i velivoli anche a fatica (inoltre le finestre e le porte sono

arrotondate).

Aero-plasticità

Fenomeno fondamentale non solo in ambito aerospaziale, ma interessa tutte le strutture

immerse in un fluido.

elastica

Vibrazione

Flutter velivolo (elastico) è immerso in una corrente, si deforma, cambia la

→

distribuzione della corrente di nuovo, e così via. Il processo non si smorza ma si amplifica,

cioè man mano che il profilo si deforma, aumenta il carico sul profilo che porta ad una

nuova deformazione fino alla rottura del componente. Diremo che: “quando un carico

aerodinamico variabile ha VIBRAZIONI vicine alle VIBRAZIONI PROPRIE della struttura,

queste vengono eccitate/ amplificate fino alla rottura della struttura”.

Si possono smorzare le vibrazioni:

1)Diminuendo la velocità;

2)Rendendo la struttura più rigida ( aumentando le vibrazioni proprie).

→ 2

Materiali

Aspetto fondamentale nella progettazione di un velivolo.

Fino al 2010 i velivoli erano, in gran parte fatti di alluminio più magnesio buon

→

compromesso tra leggerezza e resistenza.

Già negli anni ’70 si conoscevano i materiali compositi: formati da più costituenti, ancora

distinguibili nella fase finale del prodotto, che, nonostante le migliori prestazioni, non

vennero introdotti subito nel settore aerospaziale perché fragili.

le differenze tra i materiali metallici e i materiali compositi:

MATERIALI duttili, arrivati al valore critico (punto di snervamento) oil materiale

subisce deformazioni plastiche, cioè non si rompe immediatamente,

METALLICI ma reiste dando la possibilità di sostituire il componente deformato in

sicurezza

MATERIALI Fragili, raggiunto il punto di snervamento il materiale si rompe e non

c'è la possibilità di recuperarlo.

COMPOSITI

Inizialmente i compositi erano utilizzati per strutture non primarie, oggi costituiscono la

maggior parte del velivolo. Nel tempo, infatti, sono state introdotte misure di sicurezza

molto rigide, che hanno permesso questo passaggio. 3

Lezione 2-09/10/2024

Progettazione strutturale

Lo strutturista svolge un ruolo fondamentale nella progettazione e produzione di un

velivolo, fungendo da collante tra i vari aspetti del progetto. Un velivolo è un sistema

complesso che integra diversi impianti e componenti, tutti costretti a convivere negli stessi

spazi.

La struttura portante deve supportare l'interazione di numerosi sistemi, tra cui il sistema di

propulsione con il trasferimento di carburante, il sistema elettrico, il controllo delle superfici

mobili, il sistema di climatizzazione, la pressurizzazione e l'avionica. Ogni sistema deve

essere progettato tenendo conto delle esigenze specifiche, ma anche della funzione

strutturale complessiva.

Il progettista strutturale deve garantire che ogni componente mantenga la propria integrità

strutturale, evitando problematiche legate all'aeroelasticità e assicurando una rigidità

sufficiente. Inoltre, deve considerare la resistenza necessaria per affrontare un numero

significativo di cicli di volo, permettendo al velivolo di operare per 30, 40 o anche 50 anni.

Il velivolo è un sistema in cui tutte le componenti interagiscono tra loro. Anche il

posizionamento di un sistema d'arma o di un radar deve essere attentamente considerato,

poiché una posizione che crea uno squilibrio di massa e altera il baricentro rispetto ai

requisiti stabiliti può compromettere l'intero progetto. Per questo motivo, è fondamentale

S

tenere conto di tutti questi aspetti fin dall'inizio.

Proprio per la complessità dei velivoli, in particolare quelli militari per motivi strategici,

raramente un singolo produttore si occupa di tutto. Di solito, sono necessarie

collaborazioni tra diverse aziende, ciascuna con competenze specifiche. Alcune aziende

eccellono nell'avionica, mentre altre si specializzano nella costruzione delle fusoliere o

delle ali, e ognuna contribuisce con il proprio bagaglio culturale e le proprie esperienze al

progetto complessivo. Il Tornado è un esempio emblematico di

collaborazione tra quattro aziende provenienti da

Germania, Regno Unito, Francia e Italia. Esistono

anche nazioni che sviluppano autonomamente i

propri velivoli per motivi strategici, ottenendo buoni

risultati, ma questa non è la norma. Infatti, è un

impegno gravoso, e le nazioni, specialmente

quelle appartenenti a raggruppamenti come la

NATO o alle alleanze filorusse, tendono a

condividere le risorse.

Sanno che in caso di conflitto non si troveranno

mai a combattere l'una contro l'altra e cercano di ridurre i costi di sviluppo.

S

Un esempio di questa collaborazione è rappresentato dall'F-35. *

Nel settore civile, la situazione è diversa: le nazioni strategicamente desiderano

mantenere la propria autonomia nella costruzione di velivoli. Oggi, due colossi si

contendono il mercato mondiale degli aerei civili: Boeing e Airbus. Airbus è un consorzio di

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nazioni europee, e anche in questo caso si verifica una collaborazione con altre nazioni,

ma si manifesta principalmente attraverso contratti. Ad esempio, Boeing affida all'Italia, in

particolare ad Alenia, la costruzione di alcuni componenti, ma il velivolo rimane di proprietà

di Boeing. Al contrario, nel settore militare, ogni nazione detiene una parte della proprietà

del velivolo.

Nota: Instabilità elastica (scienza delle costruzioni)

Per la legge di Poisson, che indica che, oltre alla deformazione da compressione, si verifica

anche un allargamento della sezione. Quando una trave viene compressa, essa può raggiungere

un carico critico, punto in cui si verifica l'instabilità elastica. Questo carico critico può manifestarsi

in diverse configurazioni, come una deformazione lungo l'asse o in modi differenti.

Il fenomeno dell'instabilità elastica, noto anche come Buckling, si verifica a seguito di un

piccolo disturbo o eccentricità. Superato il carico critico, la trave inizia a inflettersi. La

formula di Eulero fornisce una semplice indicazione del valore di questo carico critico, che

dipende dalla sezione della trave, dal momento d'inerzia, dalla lunghezza e dal materiale.

L'instabilità elastica diventa rilevante principalmente nelle strutture sottili; nelle strutture

spesse, infatti, l'instabilità si verifica solo dopo la rottura, quindi non costituisce un

problema significativo. Al contrario, nelle strutture sottili, l'instabilità elastica può

manifestarsi prima della rottura, rappresentando un fenomeno pericoloso che porta a

deformazioni improvvise e significative, potenzialmente causando la rottura stessa.

È importante considerare la resistenza e l'instabilità elastica, poiché le strutture

aeronautiche sono generalmente sottili. Durante la loro vita operativa, è probabile che

l'instabilità si verifichi prima della rottura. Pertanto, è fondamentale valutare se, durante i

carichi d'esercizio, si verifica l'instabilità. Se ciò accade, è necessario apportare modifiche

alla struttura per prevenire.

Ad esempio, se un pannello del rivestimento di un'ala raggiunge un carico durante

l'esercizio tale da provocare instabilità, anche una piccola eccentricità potrebbe far

gonfiare il pannello. Questo non è buono, poiché altera la distribuzione delle forze

aerodinamiche su tutto il profilo, influenzando la portanza e sbilanciando l'intera struttura.

Di conseguenza, il modo in cui si costruiscono le strutture aeronautiche è orientato a

prevenire l'instabilità elastica, poiché, per essere leggere, devono necessariamente essere

sottili.

Contenuti del corso:

1) Scelta della struttura;

2) Determinazione dei carichi;

3) Resistenza e stabilità elastica delle strutture;

4) Comportamento aeroelastico delle strutture;

5) Comportamento a fatica delle strutture;

6) Scelta dei materiali. 5

parti principali

Le di un velivolo classico sono:

1) L&rs