Fatigue life assessment of a semi-span wing using a reduced-order aeroelastic model with nonlinear aerodynamics

This thesis focuses on the fatigue damage analysis of a semi-span wing under nonlinear aerodynamic conditions. Under such nonlinear conditions, associated with the dynamic stall phenomenon, the system may experience instabilities leading to Limit Cycle Oscillations or may enter the stall flutter regime. These regimes are characterized by periodic or aperiodic oscillations that lead to structural oscillations, generating significant torsional stress cycles which can compromise the fatigue life of the structure. The objective of this thesis is to investigate how these nonlinear conditions influence the fatigue life of an aerodynamic structure. The oscillations arise from the interaction between the structural dynamic and the nonlinear aerodynamic loads, leading to self-sustained oscillations. The aeroelastic analysis focuses on a two-dimensional airfoil, so a three-dimensional structure has to be defined in order to calculate the two-dimensional parameters required for the subsequent two-dimensional aeroelastic formulation. Therefore, a model order reduction strategy is adopted to represent the continuous three-dimensional structure through a representative two-degree-of-freedom system. The two differential equations governing the airfoil motion in pitch and plunge, incorporate the unsteady nonlinear aerodynamic force model developed by Leishman and Beddoes. The response at the other points along the semi-span is reconstructed using modal shapes derived from continuous beam theory. Subsequently, torsional and bending stresses at the root of the structure are evaluated, and the Rainflow counting method combined with Miner's rule is applied to evaluate fatigue damage at the critical point of the structure. Results show that these induced oscillations can significantly reduce the fatigue life of an aerodynamic structure, especially in the stall flutter regime characterized by irregular oscillations. Fatigue life decreases with increasing flow Mach number and is characterized by a parabolic behaviour, highlighting the strong impact of these oscillations on structural durability.

Questa tesi si concentra sull’analisi del danno a fatica di una semi-ala soggetta a condizioni aerodinamiche non lineari. In tali condizioni non lineari, associate al fenomeno di stallo dinamico, il sistema può manifestare instabilità che portano a oscillazioni a ciclo limite (Limit Cycle Oscillations) oppure entrare nel regime di stall flutter. Questi regimi sono caratterizzati da oscillazioni periodiche o aperiodiche che inducono oscillazioni strutturali, generando significativi cicli di tensione torsionale che possono compromettere la vita a fatica della struttura. L’obiettivo della tesi è indagare come queste condizioni non lineari influenzino la vita a fatica di una struttura aerodinamica. Le oscillazioni derivano dall’interazione aeroelastica tra la dinamica strutturale e i carichi aerodinamici non lineari, dando origine a oscillazioni auto-sostenute. L’analisi aeroelastica si concentra su un profilo bidimensionale; pertanto, è necessario definire una struttura tridimensionale per calcolare i parametri bidimensionali richiesti per la successiva formulazione aeroelastica 2D. A tal fine, viene adottata una strategia di riduzione dell’ordine del modello per rappresentare la struttura tridimensionale continua tramite un sistema equivalente a due gradi di libertà. Le due equazioni differenziali che governano il moto del profilo in beccheggio e spostamento verticale includono il modello aerodinamico non lineare non stazionario sviluppato da Leishman e Beddoes. La risposta degli altri punti lungo la semi-apertura alare è ricostruita utilizzando forme modali ricavate dalla teoria delle travi continue. Successivamente, vengono calcolate le tensioni dovute al momento flettente e torcente alla radice della struttura, e il metodo del Rainflow counting, combinato con la regola di Miner, viene applicato per stimare il danno a fatica nel punto critico della struttura. I risultati mostrano che tali oscillazioni indotte possono ridurre significativamente la vita a fatica di una struttura aerodinamica, in particolare nel regime di stall flutter, caratterizzato da oscillazioni irregolari. La vita a fatica diminuisce all’aumentare del numero di Mach del flusso e presenta un andamento parabolico, evidenziando il forte impatto di queste oscillazioni sulla durabilità strutturale.