Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials

On this thesis, several aircraft wing components are designed for finding an improved geometry and material system using optimization algorithms. At first, the development of wing components will be studied and how composite materials contributed to that in the last decades. Because of this, the adv...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Ζάραγκας, Θωμάς
Άλλοι συγγραφείς: Zaragkas, Thomas
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14854
id nemertes-10889-14854
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Composite materials
Bonded joints
Stiffened panel
Optimization
Σύνθετα υλικά
Συνδέσεις με κόλλα
Ενισχυμένο κέλυφος
Βελτιστοποίηση
spellingShingle Composite materials
Bonded joints
Stiffened panel
Optimization
Σύνθετα υλικά
Συνδέσεις με κόλλα
Ενισχυμένο κέλυφος
Βελτιστοποίηση
Ζάραγκας, Θωμάς
Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials
description On this thesis, several aircraft wing components are designed for finding an improved geometry and material system using optimization algorithms. At first, the development of wing components will be studied and how composite materials contributed to that in the last decades. Because of this, the advantages, properties and applications of composite materials will be mentioned. However, special attention will be given to a specific type of composite material, the one with carbon matrix. Closing the first part of this thesis, which is the theoretical background, the classic laminate plate theory is being understood since it is used at the analysis to a great extent and a whole chapter refers to the optimization field for engineering and industry. Regarding the part of analysis, the structural part that surrounds the main wing frame, that is the stiffened skin or else stiffened panel will be examined thoroughly. Several modeling techniques with finite elements, such as equivalent plate will be surveyed as well as adhesive modeling technique will be developed. The glue bonded joints constitute a significant survey topic, since their wide use in aeronautics, so the next component that will be analyzed extensively is a bonded doubler that actually it is a conjunction between two plates, in which the second has smaller dimensions. It is used for reinforcement on damaged skin components or for antenna adhesion on the airplane fuselage. So, the connection between flange and web can be analyzed with this method, so that the optimum lamina stack sequence around the adhesive can be estimated. Finally, a very important design parameter is the damage tolerance. It’s the final and most significant piece of the process that is added to the total stiffened panel analysis and makes it complete. Specifically, the damage that will be investigated is an open hole that is used on the airframe and skin for many reasons, such as bolted joints, cut-outs and weight reduction. The optimum stack lay-up is found for minimizing the stress concentration factor around hole.
author2 Zaragkas, Thomas
author_facet Zaragkas, Thomas
Ζάραγκας, Θωμάς
author Ζάραγκας, Θωμάς
author_sort Ζάραγκας, Θωμάς
title Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials
title_short Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials
title_full Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials
title_fullStr Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials
title_full_unstemmed Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials
title_sort static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14854
work_keys_str_mv AT zarankasthōmas staticdesignandoptimizationofaircraftwingstructureswithcompositematerials
AT zarankasthōmas statikosschediasmosdomikōnstoicheiōnpterygasaeroplanoukaibeltistopoiēsēmesynthetaylika
_version_ 1771297166679080960
spelling nemertes-10889-148542022-09-05T06:58:01Z Static design and optimization of aircraft wing structures with composite materials Στατικός σχεδιασμός δομικών στοιχείων πτέρυγας αεροπλάνου και βελτιστοποίηση με σύνθετα υλικά Ζάραγκας, Θωμάς Zaragkas, Thomas Composite materials Bonded joints Stiffened panel Optimization Σύνθετα υλικά Συνδέσεις με κόλλα Ενισχυμένο κέλυφος Βελτιστοποίηση On this thesis, several aircraft wing components are designed for finding an improved geometry and material system using optimization algorithms. At first, the development of wing components will be studied and how composite materials contributed to that in the last decades. Because of this, the advantages, properties and applications of composite materials will be mentioned. However, special attention will be given to a specific type of composite material, the one with carbon matrix. Closing the first part of this thesis, which is the theoretical background, the classic laminate plate theory is being understood since it is used at the analysis to a great extent and a whole chapter refers to the optimization field for engineering and industry. Regarding the part of analysis, the structural part that surrounds the main wing frame, that is the stiffened skin or else stiffened panel will be examined thoroughly. Several modeling techniques with finite elements, such as equivalent plate will be surveyed as well as adhesive modeling technique will be developed. The glue bonded joints constitute a significant survey topic, since their wide use in aeronautics, so the next component that will be analyzed extensively is a bonded doubler that actually it is a conjunction between two plates, in which the second has smaller dimensions. It is used for reinforcement on damaged skin components or for antenna adhesion on the airplane fuselage. So, the connection between flange and web can be analyzed with this method, so that the optimum lamina stack sequence around the adhesive can be estimated. Finally, a very important design parameter is the damage tolerance. It’s the final and most significant piece of the process that is added to the total stiffened panel analysis and makes it complete. Specifically, the damage that will be investigated is an open hole that is used on the airframe and skin for many reasons, such as bolted joints, cut-outs and weight reduction. The optimum stack lay-up is found for minimizing the stress concentration factor around hole. Στη συγκεκριμένη διπλωματική επιτυγχάνεται σχεδιασμός διαφόρων δομικών στοιχείων πτέρυγας με σκοπό την εύρεση μιας βέλτιστης γεωμετρίας και υλικού, χρησιμοποιώντας την επιστήμη της βελτιστοποίησης. Αρχικά, θα μελετηθεί η εξέλιξη των αεροναυπηγικών δομών και το πώς συνέβαλλαν σ’ αυτήν τα σύνθετα υλικά τις τελευταίες δεκαετίες. Εξαιτίας αυτών, θα γίνει αναφορά επίσης στα πλεονεκτήματα, ιδιότητες και εφαρμογές των συνθέτων. Ιδιαίτερη προσοχή θα δοθεί όμως σ’ ένα συγκεκριμένο τύπο συνθέτων υλικών που είναι αυτά με μήτρα άνθρακα. Κλείνοντας το πρώτο μέρος της διπλωματικής, που είναι το θεωρητικό υπόβαθρο, γίνεται κατανοητή η μηχανική των πολύστρωτων δομών που θα χρησιμοποιηθεί κατά κόρον στις αναλύσεις, ενώ ένα κεφάλαιο είναι αφιερωμένο στους αλγόριθμους βελτιστοποίησης και γενικότερη τη βελτιστοποίηση στον τομέα της μηχανικής και της βιομηχανίας. Όσον αφορά το αναλυτικό μέρος, θα εξετασθεί το δομικό στοιχείο το οποίο «ντύνει» τη πτέρυγα εξωτερικά και είναι το ενισχυμένο με δοκούς κέλυφος (stiffened panel). Θα μελετηθούν διάφοροι τρόποι ανάλυσης τους κυρίως με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, όπως αυτή της ισοδύναμης πλάκας και θα τονιστεί η μοντελοποίηση συνδέσεων με κόλλα. Οι συνδέσεις με κάποιο κολλητικό μέσο αποτελούν ένα σημαντικό θέμα έρευνας, λόγω της ευρείας χρήσης τους και γι’ αυτό το επόμενο στοιχείο το οποίο αναλύεται εκτενώς είναι ένα «bonded doubler» που ουσιαστικά είναι σύνδεση δύο πλακών, όπου η μία είναι μικρότερη απ’ την άλλη και χρησιμοποιείται για ενίσχυση σε δομικά στοιχεία με βλάβη, η για κόλληση κεραιών στην άτρακτο ενός αεροπλάνου. Οπότε, η σύνδεση μεταξύ της δοκού και του κελύφους μπορεί να αναλυθεί μ’ αυτή τη μέθοδο και έτσι να υπολογίσουμε την βέλτιστη κατεύθυνση των στρώσεων γύρω απ’ τη σύνδεση. Τέλος, μία σημαντική παράμετρος σχεδιασμού, είναι η ανοχή στη βλάβη. Είναι το τελευταίο και σημαντικότερο «λιθαράκι» που προστίθεται για να είναι ολοκληρωμένη η ανάλυση του ενισχυμένου κελύφους. Συγκεκριμένα, η βλάβη η οποία διερευνάται είναι η ανοικτή οπή, που είναι συχνή στα δομικά στοιχεία λόγω των συνδέσεων με «fasteners», μείωση βάρους και πολλών άλλων. Ο βέλτιστος προσανατολισμός των στρώσεων ευρίσκεται με σκοπό την μείωση του συντελεστή συγκέντρωσης τάσεων. 2021-06-22T05:21:32Z 2021-06-22T05:21:32Z 2021-06-21 http://hdl.handle.net/10889/14854 en application/pdf