New methodologies in Reliability-Based Design Optimization for structures

Mai come oggi, complice anche la crescente importanza che ricopre il trasporto civile aereo e la liberalizzazione di tale mercato, la progettazione strutturale in ambito aeronautico risulta essere dominata da due esigenze contrastanti: da un lato, la riduzione dei costi, dall'altro, l'aumento dell'affidabilità del velivolo. La minimizzazione dei costi si traduce spesso in una minore spesa di carburante e, quindi, in un'ottimizzazione della massa dell'aereo; tuttavia, ciò rischia di scontrarsi con l'imperativo di massimizzare l'affidabilità del sistema. L'approccio probabilistico alla progettazione, così come proposto dalla filosofia Reliability-Based Design Optimization (RBDO), consente di coniugare queste due esigenze fra loro antitetiche. D'altro canto, il tradizionale approccio deterministico, basato sui coefficienti di sicurezza, risulta spesso inadeguato, in quanto può portare sia ad un eccessivo appesantimento strutturale che, caso opposto, ad una riduzione della sicurezza del sistema. L'ottimizzazione probabilistica consta di due processi distinti: un loop esterno di ottimizzazione deterministica ed un ciclo interno di verifica dell'affidabilità: questa successione continua fino a che si converge alla configurazione ottimale, tale cioè da massimizzare una o più performances e, allo stesso tempo, che rispetti i vincoli relativi al livello minimo di sicurezza richiesto. Nonostante il crescente interesse verso le metodologie RBDO in campo aeronautico, ad oggi permangono aree applicative che non sono ancora state sufficientemente trattate in letteratura; tra queste, l'ambito aeroelastico. Inoltre, va sottolineato che ogni singolo caso applicativo richiede uno studio approfondito, a livello numerico, volto a determinare quali siano gli algoritmi di ottimizzazione e di verifica dell'affidabilità che meglio si adattano alla situazione; questi, in seguito, vanno interconnessi per creare un unico ciclo di ottimizzazione probabilistica. Uno degli elementi di novità che vengono proposti in questa tesi consiste nell'impiego della RBDO al progetto strutturale della sezione di un'ala, allo scopo di prevenirne fenomeni di instabilità di natura aeroelastica, oltre che di ottimizzarne la struttura; tale metodologia di ottimizzazione, basata sull'asse elastico, in precedenza risultava applicata (seppure ad un caso tridimensionale) soltanto in maniera deterministica. Un'altra tematica che è stata trattata ha invece una natura essenzialmente numerica: la costruzione di un semplice algoritmo di ottimizzazione probabilistica, applicato con successo al dimensionamento di una trave. In seguito, è stata affrontata un'analisi volta ad applicare la RBDO prima alla struttura di un'ala rettangolare e poi ad un longherone rastremato, con risultati promettenti. Nella futura prosecuzione del presente lavoro, le varie tematiche affrontate confluiranno nella determinazione di una metodologia unitaria per l'ottimizzazione probabilistica della struttura di un'ala. Tale approccio, che mirerà anche alla prevenzione di fenomeni aeroelastici, si proporrà di riprodurre il sistema e l'ambiente circostante nel modo più fedele possibile, e terrà quindi conto delle nonlinearità strutturali e delle sollecitazioni dovute alle raffiche di vento aventi natura stocastica.