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High Cycle Fatigue Prediction Methodology for Fibre Reinforced Laminates for Aircraft Structures in CROR Environment – Development and Validation

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Collaudare i materiali compositi per motori di aerei di nuova generazione

I materiali compositi sono sempre più utilizzati nella progettazione di componenti per aeromobili. Un recente esempio di questa tendenza è il rotore aperto controrotante attualmente in fase di sviluppo. Una verifica strutturale e una modellizzazione rigorose aiuteranno a garantire il funzionamento sicuro del materiale in queste architetture motore sorprendenti e nuove.

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Che si tratti di operatori o produttori, l’intera industria aerospaziale condivide gli stessi obiettivi fondamentali: riduzione del consumo di carburante, mitigazione delle emissioni nocive e diminuzione del rumore. Parte del programma Clean Sky’s Sustainable and Green Engines, il dimostratore del rotore aperto è una nuova architettura motore con due ventole controrotanti e non carenate. Progettato per alimentare le prossime generazioni di jet commerciali a corridoio singolo, il rotore aperto mira a ridurre il consumo di carburante e le emissioni di CO2 di circa il 30 % rispetto agli attuali motori CFM56. Il progetto HEGEL, finanziato dall’UE, è stato istituito per supportare il processo di progettazione di questa nuova configurazione aero-strutturale, fornendo capacità e procedure di valutazione avanzate per i materiali compositi. «Nel complesso, il nostro obiettivo principale era sviluppare strumenti di verifica avanzati, sia virtuali che sperimentali, per valutare la capacità dei laminati compositi di far fronte a carichi dinamici e vibrazionali, i cui eccessi possono portare a danni da fatica nei componenti», osserva Damaso De Bono, coordinatore di HEGEL.

Inquinamento acustico: una delle principali preoccupazioni

Una delle principali sfide associate ai motori degli aeromobili a rotore aperto sono i livelli di rumore generati dal sistema di propulsione. Ciò è dovuto principalmente alle pale rotanti che sono aperte e non «silenziate» dalla cassa della ventola e dalla gondola (in quanto si trovano su un motore turbofan). «Una soluzione a questa sfida consiste nell’utilizzare motori a rotore aperto in una configurazione spingente, dove i rotori con i motori sono montati nella parte posteriore della fusoliera. Tale configurazione richiede importanti modifiche all’attuale architettura dell’aeromobile nonché verifiche accurate dell’integrità strutturale», spiega De Bono. I ricercatori del Netherlands Aerospace Center (NLR), uno dei partner coinvolti nel progetto HEGEL, hanno sviluppato una sorgente sonora unica e un sistema di amplificazione che è stato sottoposto a collaudo presso gli impianti di prova del Fraunhofer’s Institute for Building Physics. «Il sistema all’avanguardia valuta la risposta dei componenti strutturali e dei materiali alle diverse pressioni sonore e alle vibrazioni associate, tipicamente presenti negli ambienti del motore, tra cui il rotore aperto controrotante», spiega De Bono. «I test di laboratorio potrebbero evitare costosi esami su larga scala, almeno nelle prime fasi del processo di progettazione dei componenti strutturali». L’hardware è costituito da otto altoparlanti collegati a un numero equivalente di tubi che guidano le onde sonore, tutti configurati simmetricamente e fissati all’interno di un vano di alloggiamento isolato a livello acustico e termico. Uno dei modi in cui il campione di laminato composito può essere testato è attraverso l’uso di una piastra piatta da 500x500 mm2 che copre l’apertura. Il sistema di diffusione sonora viene quindi attivato, facendo sì che la pressione sonora colpisca la piastra. I livelli di pressione sonora possono variare in base ai requisiti specifici del test.

Un quadro di previsione della resistenza alla fatica

«Gli attuali strumenti di previsione numerica e computazionale per la fatica ad alto numero di cicli non sono completamente convalidati per le applicazioni aerospaziali e tengono in considerazione soltanto un numero limitato di parametri», osserva De Bono. HEGEL approfondisce le metodologie di previsione della fatica esistenti incorporando parametri ambientali aggiuntivi (ad esempio temperatura, umidità) e fattori dipendenti che si verificano a frequenze elevate (ad esempio effetti di autoriscaldamento) durante la fatica ad alto numero di cicli. Gli strumenti di previsione di nuova concezione affrontano lo studio della fatica ad alto numero di cicli tramite un metodo semi-empirico basato su curve maestre e fattori di spostamento, nonché modelli avanzati a elementi finiti. «I nostri nuovi strumenti di verifica e valutazione possono migliorare notevolmente l’efficacia del modo in cui i materiali compositi nelle parti di aeromobili vengono valutati in merito all’integrità strutturale durante il processo di progettazione», conclude De Bono. Nel complesso, i risultati del progetto costituiscono un passo importante verso lo sviluppo dei futuri motori di aerei e verso la loro integrazione nelle nuove architetture degli aeromobili.

Parole chiave

HEGEL, rotore aperto, materiali compositi, previsione della fatica, pressione sonora, rotore aperto controrotante, fatica ad alto numero di cicli

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