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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
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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
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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
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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Skybird project
• Modello: la Natura• Leggi generali della fisica
Simulazioni Fluidodinamiche&
Studio di base sul profilo e sul movimento
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Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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Battito alare (up-downstroke) Torsione attiva legata al battito Svergolamento del profilo Angolo di freccia (sweep)
Caratteristiche dell’ala e del battito
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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
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• 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
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Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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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
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Ottimizzazione della cinematica
Parametri: l2 , l3 , l4
r, θ , (l5)
S, α1
α2
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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.
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Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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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
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Risultati dell’analisi strutturale
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Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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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
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Risposta del sistemaForzante: battito
Se V ↑ il sistema acquista un margine di stabilità
Ovvero uno smorzamento
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Risposta del sistema
Forzante: Battito& Perturbazione impulsiva
evoluzione del sistema nel piano delle fasi
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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
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
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Conclusioni & Sviluppi futuri
Progettazione cinematica e strutturale di un UAV ad ali battenti con analisi della stabilità del volo
Progettazione Skybird Prototipazione e testing
CinematicaStrutturaleStabilità
• Prove sperimentali
• Materiali compositi (fibra di carbonio)
• Manovre di volo
Sviluppi futuri:
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Per concludere…