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Candidata: Francesca Negrello Relatori: Chiar.mo Prof. Alessandro BottaroChiar.mo Prof. Aleramo Lucifredi

Correlatore: Dott.Ing. Paolo Silvestri

Facoltà di IngegneriaA.A. 2011-2012

Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo

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)


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 NegrelloCarlo 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)

Skybird project


Skybird project

• Modello: la Natura• Leggi generali della fisica

Simulazioni Fluidodinamiche&

Studio di base sul profilo e sul movimento


1. Studio della cinematica del battito

2. Analisi e ricerca del meccanismo

3. Ottimizzazione del meccanismo

4. Dimensionamento strutturale e verifica

5. Analisi della stabilità del volo


Battito alare (up-downstroke) Torsione attiva legata al battito Svergolamento del profilo Angolo di freccia (sweep)

Caratteristiche dell’ala e del battito


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.

Tipologie di UAV attualmente esistenti


• Obiettivo:realizzare un velivolo ad ala battente in grado di compiere missioni autonome di ricognizione

•Caratteristiche:biomimeticoalternanza tra volo battuto e planato

Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con studio della stabilità

Scelta del cinematismo

Studi fluidodinamiciParametri:

• 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


Ottimizzazione della cinematica

Parametri: l2 , l3 , l4

r, θ , (l5)

S, α1

α2


Funzione obiettivo Target Valore raggiunto ErroreI 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° ---

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) 25.0 mm

Risultati dell’ottimizzazione

Nota: i valori segnati con “*” corrispondono ai parametri fissati che non sono stati oggetto di calcoli in fase di ottimizzazione.


0.0000000.0630000.1260000.1890000.2520000.315000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Tempo [s]

Po

rtan

za [

N]

Analisi strutturale

Metodologia di calcolo: SOVRAPPOSIZIONE MODALE

Carichi tempo-varianti aerodinamici : portanza e resistenzaApplicati nei centri aerodinamici di ciascuna semi-ala

Materiale: Alluminio

Modulo di Young (E) 7x1010 PaModulo di Poisson (ν) 0.346Densità (ρ) 2710 kg/m3

Carico di snervamento (σs) 600÷700 MPa


Risultati dell’analisi strutturale


Analisi di stabilità del voloPunti notevoli ca ali+fusoliera

ca coda centro di massa

Carichi Portanza Resistenza/Spinta Inerziali (battito)

Massa 0.5 kgIyy 0.2 kg m2

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

-2-1.5

-1-0.5

00.5

11.5

2 mean total thrust/drag v5

mean total thrust/drag v8

mean total thrust/drag 10

mean total thrust/drag 12

mean total thrust/drag v14-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

0

10

20

30

40

50mean total lift v5mean total lift v8mean total lift v10mean total lift v12mean total lift 14


Risposta del sistemaForzante: battito

Se V ↑ il sistema acquista un margine di stabilità

Ovvero uno smorzamento


Risposta del sistema

Forzante: Battito& Perturbazione impulsiva

evoluzione del sistema nel piano delle fasi


Conclusioni sulla stabilità del volo

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20

5

10

15

20

25

30

35

40

45

v = 5 m/s

v = 8 m/s

v = 10 m/s

v = 12 m/s

v = 14 m/s

Spinta

Po

rtan

za

Considerazioni conclusive:Velivolo stabile in assenza di controlliDiagramma caratteristico del volo


Conclusioni & Sviluppi futuri


Progettazione Skybird Prototipazione e testing

CinematicaStrutturaleStabilità

• Prove sperimentali

• Materiali compositi (fibra di carbonio)

• Manovre di volo

Sviluppi futuri:

Per concludere…

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