Facoltà di Ingegneria
A.A. 2011-2012
Progettazione cinematica e strutturale di un
UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Candidata: Francesca Negrello
Relatori: Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro
Chiar.mo Prof. Aleramo Lucifredi
Correlatore: Dott.Ing. Paolo Silvestri
Skybird project
Fasi:
• Calcoli Preliminari (primo semestre 2011)
• Progettazione Preliminare (Settembre 2011 – Marzo 2012)
• Progettazione di dettaglio (Marzo 2012 – Settembre 2012)
• Sviluppi futuri: Supporto a realizzazione prototipi e prove a terra e
in volo (Autunno 2012 – Primavera 2013)
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Skybird project
Team di ricerca:
Prof. Alessandro Bottaro
Prof. Aleramo Lucifredi
(Responsabile progetto DICCA)
(Analisi cinematica e strutturale)
Dott. Paolo Silvestri
Dott. Jan Oscar Pralits
Dott. Joel Guerrero
(Analisi strutturale, Dinamica del volo)
(Dinamica del volo)
(Simulazioni aerodinamiche)
Francesca Negrello
Carlo Pacioselli
Federico Vecchia
Francesco Ghelardi
“Sviluppo aerodinamico di un velivolo ad ala battente”
“Study on Skybird Performance Improvement”
“Sviluppo geometrico/aerodinamico della superficie di
coda di un velivolo in volo planato”
Collaboratori aziendali:
Ing. Valerio Manetti
Ing. Michele Cattoi
Ing. Pierfilippo Rizzo
(Program manager)
(Progettazione meccanica)
(Progettazione aeronautica)
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Skybird project
•
•
Modello: la Natura
Leggi generali della fisica
Simulazioni Fluidodinamiche
&
Studio di base sul profilo e sul
movimento
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV
ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
1.
2.
3.
4.
5.
Studio della cinematica del battito
Analisi e ricerca del meccanismo
Ottimizzazione del meccanismo
Dimensionamento strutturale e verifica
Analisi della stabilità del volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Caratteristiche dell’ala e del battito




Battito alare (up-downstroke)
Torsione attiva legata al battito
Svergolamento del profilo
Angolo di freccia (sweep)
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Tipologie di UAV attualmente esistenti
I primi impieghi di UAV risalgono agli anni ’50 quando
vennero utilizzati da Israele come standard militare.
Da allora la produzione di questo tipo di velivoli si è ampliata
e differenziata secondo un trend crescente.
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Scelta del cinematismo
• Obiettivo:
realizzare un velivolo ad ala battente in grado di compiere
missioni autonome di ricognizione
•Caratteristiche:
biomimetico
alternanza tra volo battuto e planato
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con studio della stabilità
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV
ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
1.
2.
3.
4.
5.
Studio della cinematica del battito
Analisi e ricerca del meccanismo
Ottimizzazione del meccanismo
Dimensionamento strutturale e verifica
Analisi della stabilità del volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Studi fluidodinamici
Parametri:
•
•
•
•
f (frequenza)
α1 (corsa angolare semi-ala interna)
α2 (corsa angolare semi-ala esterna)
S
(durata della corsa di upstroke sul periodo)
f
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
3 Hz
α1
60° (±30°)
α2
45° ÷ 50°
S
0.65 Tciclo
Ottimizzazione della cinematica
Parametri:
 l2 , l3 , l4
S, α1
 r, θ , (l5)
α2
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Risultati dell’ottimizzazione
Variabili
Valori proposti
Manovella (l2)
25.10 mm
Biella (l3)
48.08 mm
Bilanciere (l4)
62.48 mm
25.0 mm
r
Theta (θ)
15° deg
Telaio* (l1)
Funzione obiettivo
I corsa semi-ala interna
(α1)
II sfasamento tra le posiz.
estreme di manovella (S)
III angolo relativo tra le
due semi-ali (α2)
50.367 mm
Longherone* (l5)
457 mm
Biella seconda* (l6)
25.0 mm
Target
Valore raggiunto
Errore
60°
60.022°
0.022°
234°
234.017°
0.017°
45° ≤ α2 ≤ 50°
47.7°
---
Nota: i valori segnati con “*” corrispondono ai parametri fissati che non sono stati oggetto di calcoli
in fase di ottimizzazione.
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV
ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
1.
2.
3.
4.
5.
Studio della cinematica del battito
Analisi e ricerca del meccanismo
Ottimizzazione del meccanismo
Dimensionamento strutturale e verifica
Analisi della stabilità del volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Analisi strutturale
Metodologia di calcolo:
SOVRAPPOSIZIONE MODALE
80
Materiale:
Alluminio
Modulo di Young (E)
7x1010 Pa
Modulo di Poisson (ν)
0.346
Densità (ρ)
2710 kg/m3
Carico di snervamento (σs) 600÷700 MPa
Portanza [N]
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
Tempo [s]
Carichi tempo-varianti aerodinamici : portanza e resistenza
Applicati nei centri aerodinamici di ciascuna semi-ala
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Risultati dell’analisi strutturale
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV
ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
1.
2.
3.
4.
5.
Studio della cinematica del battito
Analisi e ricerca del meccanismo
Ottimizzazione del meccanismo
Dimensionamento strutturale e verifica
Analisi della stabilità del volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Analisi di stabilità del volo
Punti notevoli ca ali+fusoliera
ca coda
centro di massa
Carichi
Portanza
Resistenza/Spinta
Inerziali (battito)
Massa 0.5 kg
Iyy
0.2 kg m2
50
mean total
lift v5
mean total
lift v8
mean total
lift v10
mean total
lift v12
mean total
lift 14
40
30
20
10
0
-10
-5
0
5
10
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
-10
2
mean total
thrust/drag v5
1
mean total
thrust/drag v8
0
mean total
thrust/drag 10
-5
0
-1
-2
5
10
mean total
thrust/drag 12
mean total
thrust/drag
v14
Risposta del sistema
Forzante: battito
Se V ↑
il sistema acquista un
margine di stabilità
Ovvero uno smorzamento
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Risposta del sistema
Forzante: Battito
& Perturbazione impulsiva
evoluzione del sistema nel piano delle fasi
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Conclusioni sulla stabilità del volo
45
40
35
30
v = 5 m/s
Portanza
25
v = 8 m/s
20
v = 10 m/s
15
v = 12 m/s
10
v = 14 m/s
5
0
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
Spinta
Considerazioni conclusive:
Velivolo stabile in assenza di controlli
Diagramma caratteristico del volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
1.5
2
Conclusioni & Sviluppi futuri
Prototipazione e
testing
Progettazione Skybird
Cinematica
Strutturale
Stabilità
Sviluppi futuri:
• Prove sperimentali
• Materiali compositi (fibra di carbonio)
• Manovre di volo
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Per concludere…