MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI
Nell’ambito dell’orientamento "aeromeccanica e sistemi" si ritiene opportuno far acquisire allo studente i rudimenti di alcuni strumenti essenziali per il progetto; in particolare, l’insegnamento si focalizzerà i) sulla metodologia generale per la costruzione di modelli numerici (principalmente non lineari a parametri concentrati) di alcuni sistemi aerospaziali, ii) sulle tecniche di simulazione e iii) sull’uso della sperimentazione ai fini dell’affinamento e della validazione dei due precedenti punti. L’impiego di questi tre strumenti, nelle diverse fasi dello sviluppo di un sistema, verrà anzitutto inquadrato nel flusso globale della progettazione sistemistica, evidenziando la successione logica secondo cui il nuovo prodotto, a valle della definizione concettuale, viene prima modellato, poi simulato e, in parallelo, trasformato in prototipo essendo, in ultimo, sperimentato.
Per i tre strumenti si forniranno esempi di applicazione principalmente inerenti ai dispositivi di azionamento dei comandi di volo primari dei velivoli moderni; contestualmente si vedranno, ovviamente a livello di concetto, le tipologie, le entità di risorse e le conoscenze richieste per applicare detti strumenti. Infine, verranno dati cenni relativi alle tecniche di integrazione dei modelli in relazione alle metodologie di ottimizzazione multidisciplinare del progetto (MSDO – Multidisciplinary System Design Optimization) e di progetto integrato simultaneo (SE – Simultaneous Engineering).
Il processo di apprendimento si baserà su esercitazioni applicative e di laboratorio in cui si richiederà un attivo coinvolgimento degli studenti, per rendere consapevoli delle potenzialità, ma anche dei limiti, degli strumenti a loro presentati, acuendo in tal modo le loro capacità critiche.

SIMULAZIONE DEL VOLO
Il corso introduce il concetto di simulazione del volo, fornendo gli elementi essenziali per la progettazione, lo sviluppo e l’utilizzo del simulatore di volo sia dal punto di vista progetto del velivolo sia da quello della verifica delle prestazioni e delle qualità di volo.

MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI
Capacità di comprendere, nell’ambito dell’attività di progettazione sistemistica, il ruolo e l’importanza della modellazione, della simulazione e della sperimentazione. Capacità di definire modelli non lineari di parti di un sistema. Capacità di integrare singoli modelli, di livello gerarchico inferiore, a costituire un modello multidisciplinare più complesso. Capacità di interfacciarsi con un semplice banco sperimentale ed effettuare prove di laboratorio.

SIMULAZIONE DEL VOLO
Capacità di utilizzo di tecniche di programmazione e di applicazione dei concetti acquisiti nei corsi di Meccanica del Volo.

MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI
Conoscenze di base di fisica, meccanica, oleodinamica, elettrotecnica e di controlli automatici.

SIMULAZIONE DEL VOLO
Avere acquisito le nozioni fondamentali di informatica, fisica, meccanica e meccanica del volo.

MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI
Parte generale
Cenni alla teoria dei modelli.
Processo di progettazione sistemistica e ruolo in esso ricoperto dagli strumenti costituiti da modellazione, simulazione e sperimentazione; definizione dei requisiti di progetto e dei requisiti di prova di un sistema.
Concetti generali sulla modellazione dinamica, sulla conseguente simulazione e sui suoi impieghi.
Concezione generale di un programma di simulazione dinamica a partire dai modelli multidisciplinari dei sottosistemi; comparazione e discussione ragionata di modelli di sistemi basati su differenti approcci. Valutazione comparata fra modelli dinamici, a differente grado di complessità e tipologia, riferiti a un medesimo componente o sistema. Applicazioni significative nei sistemi dinamici aerospaziali.
Strumenti informatici e tecniche per la simulazione. Analisi delle problematiche numeriche nella simulazione.
Cenni alle tecniche di progettazione multidisciplinare integrata: concurrent e simultaneous engineering.
Cenni alle tecniche di ottimizzazione multisciplinare.
Concetti generali sull’attività sperimentale e varie tipologie di prove. Calibrazione e valutazione. Definizione di un piano degli esperimenti. Strumenti per la sperimentazione e loro integrazione.
Parte applicativa
Analisi dei comandi di volo, con particolare riferimento ai comandi primari di tipologia fly-by-wire con attuatori EHA e EMA.
Componenti loro modellazione; 1) componenti meccanici: motori in corrente continua, pompe idrauliche a cilindrata variabile, viti a circolazione di sfere/rulli, attuatori idraulici, superfici mobili del velivolo, 2) organi di regolazione e controllo: servovalvole oleodinaniche, sensori, logiche per il controllo della posizione. Per ciascun componente sono sviluppati più modelli, con livello di complessità e ordine crescenti, comprendenti anche le principali non linearità (giochi, attrito secco, isteresi, saturazioni, ecc..).
Modello dinamico elettro-fluido-meccanico complessivo servovalvola in formulazione di quarto e terzo ordine; possibili semplificazioni di primo ordine e istantanea, pregi e difetti comparati. Gruppo di attuazione ipersostentatori: layout a motore idraulico + trasmissione a barre di torsione fail-safe + attuatori finali e freni.
Modello dinamico elettro-fluido-meccanico completo di servovalvola + martinetto per servoposizione: formulazioni di ordine 6 e 5; semplificazioni di ordine 3 e 2, pregi e difetti comparati.
Servovalvole elettroidrauliche a due stadi: cassetto come secondo stadio; pilotaggi di primo stadio, tipi, flapper-nozzle, jet-pipe, jet-deflector. Principio di funzionamento jet-pipe e analogie con altri tipi, descrizione di tipico comportamento dinamico nell'interazione tra i due stadi, considerazioni su tempistiche tipiche e conseguenti adottabili ipotesi semplificative.
Integrazione dei succitati modelli in un sistema di azionamento completo.
Analisi parametrica del comportamento dei modelli tramite uso della simulazione. Definizione di cifre di merito per valutare il raggiungimento dei requisiti di progetto.
Definizione di un piano di prove sperimentali da implementare su banco sperimentale.
Simulazione di logiche di diagnostica, di gestione del guasto e di tolleranza al guasto.
Impostazione di un semplice caso di ottimizzazione multidisciplinare su un caso riguardante i comandi di volo di un velivolo.


SIMULAZIONE DEL VOLO
Introduzione sulla simulazione. Cenni storici. Classificazione dei simulatori di volo. Il simulatore come strumento per lo sviluppo del progetto. Il simulatore per l’addestramento. La simulazione in volo. Aspetti del progetto dei simulatori di volo. Interfaccia uomo-macchina nella simulazione. Simulazione in batch e simulazione in real time. Definizione del modello matematico del velivolo. Sistemi di riferimento e trasformazioni di coordinate. Cenni sulla dinamica del velivolo rigido, estesa anche al volo in alta incidenza. Equazioni del moto e loro linearizzazione. Metodologie di integrazione delle equazioni del moto. Costruzione dei database aerodinamici. Modelli matematici del velivolo (ala fissa e rotante) finalizzati alla simulazione del volo. Risposta ai comandi. Dominio del tempo e della frequenza. Simulatori per aeromobili ad ala rotante: caratteristiche e differenze rispetto al caso del velivolo ad ala fissa. Criteri di realizzazione di un simulatore. Linguaggi ed ambienti di programmazione. Generazione delle immagini. Sistemi di rappresentazione delle immagini. Concetto di scenario sintetico. Simulatori open-loop e closed-loop. Ricostruzione al simulatore di manovre dei diversi tipi di aeromobili. Verifica dell’influenza dei parametri di progetto sul comportamento del velivolo. Costruzione del modello matematico di diverse classi di velivolo e verifica del comportamento sul simulatore. Esempi di modellistica non lineare (wink rock e paracadute). Valutazione della qualità di volo (ala fissa).

MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI
Elaborazione di modelli, comprensivi delle non linearità, di servomeccanismi tipici dei comandi di volo di un moderno velivolo.
Creazione e soluzione, in laboratorio informatico, di modelli di simulazione relativi al comportamento dinamico di sistemi di bordo con sperimentazione "virtuale" dei fenomeni. Per la costruzione dei modelli verranno utilizzati alcuni strumenti informatici disponibili in laboratorio informatico.
Esercitazioni sperimentali su un banco didattico rappresentativo di un comando di volo primario, del tipo "fly-by-wire", con studio delle leggi di controllo e acquisizione dati.


SIMULAZIONE DEL VOLO
L’attività didattica prevede un numero di ore di esercitazione in aula almeno pari al 30% del numero totale di ore previste per il corso. Durante le esercitazioni vengono proposti all’allievo problemi analoghi a quelli che si presentano nella pratica ingegneristica (dimensionamenti, interpretazione di dati di simulazione, etc.), onde svilupparne la capacità di applicare la teoria in un contesto applicativo. Si chiede agli allievi di organizzarsi in gruppi di due o al massimo tre allievi; ciascun gruppo redigerà relazioni da portare all’esame, in cui sono raccolti svolgimento e risultati delle esercitazioni. Viene fornita assistenza continua in aula da parte del docente. Gli esercizi sono proposti in progressione didattica e richiedono l’uso del calcolatore. Di norma per ogni ora di esercitazione in aula l’allievo deve prevedere, nell’ambito dei crediti assegnati, un lavoro personale a casa per completamenti ed integrazioni (progetto individuale).

MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI
Testi di riferimento per il corso:
a) Dispense fornite a cura del docente.
Per approfondimenti e ulteriore consultazione:
a) Dean C. Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, "System Dynamics: Modeling and Simulation of Mechatronic Systems", 4th Edition Wiley, 2006.
b) MIL-STD-810G Department of Defense Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests.
c) Garret N. Vanderplaats, "Numerical Optimization Techniques for Engineering Design", ISBN 0-944956-01-7, 3rd Edition, Vanderplaats Research & Development Inc., 2001.

SIMULAZIONE DEL VOLO
Si utilizza materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili. A questi si fa comunque esplicito riferimento nel materiale fornito, dove vengono consigliati alcuni testi per gli approfondimenti. Le dispense (in parte in inglese), gli stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all’insegnamento sul portale della didattica.

MODELLAZIONE, SIMULAZIONE E SPERIMENTAZIONE DEI SISTEMI AEROSPAZIALI
L’esame, orale, verterà su tutti gli argomenti del corso e, in particolare, sulla esposizione delle relazioni delle esercitazioni. La presentazione in sede d’esame delle relazioni di tutte le esercitazioni, in copia personale, è condizione necessaria per accedere all’esame stesso; parte della valutazione sarà basata sulla corretta comprensione del significato e sulla chiarezza e l’ordine di dette relazioni.

SIMULAZIONE DEL VOLO
Il superamento dell’esame prevede quanto segue:
• Preparazione di un rapporto tecnico per ciascuna delle 8 esercitazioni pratiche assegnate durante il corso. L’attività esercitativa al calcolatore deve essere svolta in squadre di 2 studenti ed il rapporto tecnico deve essere elaborato congiuntamente. Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso. La valutazione del risultato prodotto sarà collettiva (max 10/30). La consegna a fine semestre della relazione relativa alle esercitazioni non esenta lo studente dalla presenza in aula o in laboratorio durante il corso.
• Preparazione di una relazione di progetto relativa allo sviluppo di un simulatore . Lo stile editoriale deve essere quello di un "tutorial" ovvero di una guida ragionata all’utilizzo del programma (con esempi e risultati tipici). Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso . Il progetto dovrà essere svolto in forma individuale e riportare tutto quanto ritenuto essenziale per descrivere la soluzione implementativa adottata. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 12/30).
• Redazione in aula di un elaborato scritto in risposta (forma aperta) ad una serie di quesiti tecnici specifici. Lo studente avrà a disposizione i SOLI appunti del corso e dovrà dimostrare confidenza e padronanza delle tematiche oggetto dell’insegnamento. La prova scritta dura 2 ore e viene svolta durante l’ultima lezione del corso . La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 10/30).

Il superamento dell’esame per il corso 02IIQMT - Simulazione del volo prevede quanto segue:
• Preparazione di un rapporto tecnico per ciascuna delle 8 esercitazioni pratiche assegnate durante il corso. L’attività esercitativa al calcolatore deve essere svolta in squadre di 2 studenti ed il rapporto tecnico deve essere elaborato congiuntamente. Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso . La valutazione del risultato prodotto sarà collettiva (max 10/30). La consegna a fine semestre della relazione relativa alle esercitazioni non esenta lo studente dalla presenza in aula o in laboratorio durante il corso .
• Preparazione di una relazione di progetto relativa allo sviluppo di un simulatore . Lo stile editoriale deve essere quello di un "tutorial" ovvero di una guida ragionata all’utilizzo del programma (con esempi e risultati tipici). Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso . Il progetto dovrà essere svolto in forma individuale e riportare tutto quanto ritenuto essenziale per descrivere la soluzione implementativa adottata. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 12/30).
• Redazione in aula di un elaborato scritto in risposta (forma aperta) ad una serie di quesiti tecnici specifici. Lo studente avrà a disposizione i SOLI appunti del corso e dovrà dimostrare confidenza e padronanza delle tematiche oggetto dell’insegnamento. La prova scritta dura 1 ora e viene svolta durante l’ultima lezione del corso . La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 10/30).