Università degli Studi di BolognaFACOLTA’ DI INGEGNERIACorso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Disegno Tecnico Industriale

PROGETTAZIONE DI MASSIMA DI UNA NUOVA VERSIONE DEL

MACCHI 205Tesi di Laurea di:Tesi di Laurea di:MICHELE BRUSORIMICHELE BRUSORI

Relatore:Relatore:Prof.Prof. Ing.Ing. LUCA PIANCASTELLILUCA PIANCASTELLI

Correlatori:Correlatori:Prof.Prof. Ing.Ing. Franco PersianiFranco Persiani

Prof.Prof. Ing.Ing. Gianni Gianni CaligianaCaligianaProf.Prof. Ing.Ing. Alfredo Alfredo LiveraniLiverani

AnnoAnno Accademico 2003Accademico 2003--20042004

Progettazione di massima di una nuova versione del Macchi 205

Scopo della Tesi:Progettazione di un aeroplano sperimentale che mantenga le caratteristiche aerodinamiche del Macchi 205 e permetta la sperimentazione di motori e equipaggiamenti vari

Requisiti richiesti

•Adattabile ai vari tipi di propulsore possibili (fuel cell, JTD, Rotax, Yamaha)•Vita a fatica di circa 300 h, 600 cicli di decollo/atterraggio •Necessità per motivi di sicurezza di montare un seggiolino eiettabile e un paracadute balistico•Peso massimo al decollo 700 kg

Sandwich con pelli in fibra di carbonio

Struttura a guscio mediante sandwich portante oppure a semiguscio con nervature incollate

Vantaggi: resistenza strutturale, rigidezza, semplicità costruttiva

Svantaggi:difficoltà di manutenzione e in generale di gestione dell’aeroplano (Urti accidentali)

Esempi: Harrier II, F22, Agusta EH 101

Struttura portante interna + pannelli di rivestimento

Vantaggi: possibilità di definire liberamente le geometrie delle strutture portanti, facilità di manutenzione e in generale di gestione dell’aeroplano (protezione della struttura portante dagli urti accidentali)

Svantaggi: minore resistenza strutturale, minore rigidezza, piùcomponenti da costruire, montaggio più laborioso

Esempi: vetture di Formula 1

Tentativo di realizzazione di struttura portante con elementi trabeiformi snelli

Troppo pesante e troppo resistente

Tentativo di dimensionamento della struttura a guscio con pelle in struttura sandwich portante

Troppo pesante e troppo resistente

Tentativo di realizzazione di struttura portante interna mediante pannelli sandwich

Molto leggera, ma non sufficientemente resistente

Struttura con travi di varie sezioni

Definizione della struttura e della copertura dei pannelli

Determinazione dei carichi e dei pesi ausiliari (carrello, strumenti, comandi)

Diagramma di flusso della Tesi

Composito fibra di Carbonio Toray M46J + resina epossidica tenacizzataTemperature di lavorazione da 120°C a 200°C

Disponibilità di autoclave cilindrica φ 3x9 m

Honeycomb in Nomex o lega di alluminio

Collanti in film con temperature di incollaggio da 130°C a 60°C.

Oppure collanti a freddo di prestazioni inferiori

Aeroplano in più parti collegate mediante bulloni o incollaggi a freddo

Possibilità di separare le ali (come il Macchi 205 originale), oppure la coda (come il Mitsubishi “Zero”)

Vincoli di progetto

Determinazione dei carichi agenti

Si sono dovuti calcolare i diagrammi di manovra considerando i seguenti dati:Nmax= 8gNmin= -4gFattore di sicurezza= 1.5Peso= 6870 N = 700 kg

Diagramma di inviluppo

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 100 200 300 400 500

Velocità (Km/h)

n

Va Vd

VeVb

Va, Vb = velocità di stallo, in cui la portanza uguaglia il peso in modulo e il coefficiente di portanza èmassimo.

Vd = Ve = velocità massima del velivolo = 400 km/h

Determinazione dei carichi agenti

( ) ( ) 222222/

0

2/

0

2/

0

SpdSpdyycpdyypPbbb

⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅⋅= ∫∫∫ SPp =⇒⇒

SQnp ⋅

= = 2804.76 N/m= 2804.76 N/m22

Calcolo dei carichi alari:

Scivolata d’ala: AcvL p2

21 ρ= N64,6108=

Carichi propulsivi NvPT

E

m 31,1855== NmFCM mx 19,1401max =⋅−=

Carichi giroscopiciNmIC pzxy 88,263=⋅Ω⋅Ω= NmIC yxpz 7,659=Ω⋅Ω⋅=Richiamata: Virata:

Carichi all’asse di beccheggio:

dI

L y ω&⋅−=∆ N67,8461−=

Carichi concentrati: (sedile+pilota)NFy 2318=

NFSngMF toty 258981 −=⋅⋅⋅=Carichi di massa del motore in richiamata

Idea di partenza: skin portanteRealizzazione del modello: eliminazione delle superfici mobili (flap, alettoni, piani di coda e timone), per arrivare alla struttura portante.

Utilizzo di pannelli sandwich per la realizzazione della struttura

Simulazione agli elementi finiti

Struttura sovradimensionata: le sollecitazioni sono ridotte.Massa troppo elevata (oltre 150 kg) e non ulteriormente riducibile (struttura sandwich con 6 pannelli da 0,1 mm di carbonio e core in honeycomb da 5 mm)

Studio di modelli alternativi

Prima alternativa: cella di sicurezza con pannelli in carbonio, superfici da applicareSimulazione FEM. Struttura troppo pesante (95 kg)

Studio di modelli alternativi

Seconda alternativa: Alleggerimento della struttura precedente.Simulazione FEM. Struttura leggera (36 kg), ma troppo fragile.

Anche rinforzata, non sopporta i carichi calcolati

Soluzione definitivaTraliccio di travi in carbonio senza utilizzo del core in HoneycombTravi a sezione differenziata, spessore delle pelli da 0,6 a 1 mm.

Simulazione FEM

La struttura è leggera e resistente (35 kg)

Considerazioni critiche sui vincoli della struttura

La struttura è sottoposta a un sistema di carichi equilibrato. Purtroppo negli elementi finiti è necessario bloccare almeno 6 gradi di libertà per far convergere il modello.Il posizionamento di questi vincoli influisce in modo determinante sui risultati della simulazione FEM

E’ pertanto necessario simulare diverse condizioni di vincolo per poter valutare la resistenza della struttura.L’influenza dei vincoli sui risultati si rivela un punto critico per questo tipi di simulazioni

• Massa struttura portante: 35 kg• Massa dei pannelli di tamponamento: 29 kg• Massa dei giunti di fissaggio: viti in titanio 15 kg• Massa delle superfici mobili 10 kg• Massa comandi 25 kg• Massa degli strumenti 12 kg• Massa del seggiolino 80 kg• Massa del paracadute balistico 12.7 kg (Galaxy GRS 5/560, per aerei fino a

560kg)• Massa del carrello con relativi comandi 35 kg• Massa pilota 85 kg• Massa imprevisti 10%• Massa totale: 370 kg

Riepilogo delle masse

1900jtd 1900 jtd II

4x1900jtdII VD007 Yamaha R1

Rotax 912

FuelCell

Massa del motore

220 280 880 450 60 60 420.

Alimentazione GasolioJP4, Jet A1

GasolioJP4, Jet A1

Gasolio JP4, Jet A1

GasolioJP4, Jet A1,H2

Benzina Verde

Benzina Verde

H2

Massa carburante 1 h autonomia

23.8 49 196 300 48 22 -

Massa totale installato

290 374 1121 795 150. 127 420

Potenza CV (kW)

171 (125)

350 (257)

1400 (1029)

2000 (1470)

200 (147)

100 (73.5)

85 (63)

Caratteristiche dei motori

Conclusioni

•Adattabile a diversi aerei, cambiando semplicemente le skin;

La soluzione studiata presenta diversi vantaggi:•La struttura è leggera e resistente;•Di facile produzione;

•Possibilità di aumentare gli spessori delle travi senza alterare la geometria.

Possibili sviluppi

•Ottimizzazione delle travi

•Realizzazione di versioni ultraleggere.