Candidata: Francesca Negrello 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 (Responsabile progetto DICCA) Prof. Aleramo Lucifredi (Analisi cinematica e strutturale) Dott. Paolo Silvestri (Analisi strutturale, Dinamica del volo) Dott. Jan Oscar Pralits (Dinamica del volo) Dott. Joel Guerrero (Simulazioni aerodinamiche) Francesca Negrello Carlo Pacioselli “Sviluppo aerodinamico di un velivolo ad ala battente” Federico Vecchia “Study on Skybird Performance Improvement” Francesco Ghelardi “Sviluppo geometrico/aerodinamico della superficie di coda di un velivolo in volo planato” Collaboratori aziendali: Ing. Valerio Manetti (Program manager) Ing. Michele Cattoi (Progettazione meccanica) Ing. Pierfilippo Rizzo (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 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) Dire quali gradi di libertà si intendono mantenere 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 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 3 Hz α1 60° (±30°) α2 45° ÷ 50° S 0.65 Tciclo Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo

Ottimizzazione della cinematica Parametri: l2 , l3 , l4 r, θ , (l5) S, α1 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 r 25.0 mm Theta (θ) 15° deg Telaio* (l1) 50.367 mm Longherone* (l5) 457 mm Biella seconda* (l6) Funzione obiettivo Target Valore raggiunto Errore I corsa semi-ala interna (α1) 60° 60.022° 0.022° II sfasamento tra le posiz. estreme di manovella (S) 234° 234.017° 0.017° III angolo relativo tra le due semi-ali (α2) 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 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 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 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 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 Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo

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 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

Conclusioni & Sviluppi futuri Progettazione Skybird Prototipazione e testing 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…