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...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
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 |