Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV
The purpose of this thesis is the design of the wing of a MALE class (Medium Al- titude Long Endurance) unmanned aircraft vehicle. Initially, a survey is conducted with the aim of collecting and comparing the performance of some unmanned aerial vehicles which can also be characterized as "State...
Main Author: | |
---|---|
Other Authors: | |
Language: | English |
Published: |
2023
|
Subjects: | |
Online Access: | https://hdl.handle.net/10889/24602 |
id |
nemertes-10889-24602 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Preliminary design Composites materials Structural analysis Fluid Structure Interaction (FSI) analysis MALE UAV CFD analysis Structural design Conceptual design Preliminary design Προκαταρτικός σχεδιασμός Εννοιολογικός σχεδιασμός Δομική σχεδίαση CFD ανάλυση FSI μέθοδος Δομική ανάλυση Σύνθετα υλικά |
spellingShingle |
Preliminary design Composites materials Structural analysis Fluid Structure Interaction (FSI) analysis MALE UAV CFD analysis Structural design Conceptual design Preliminary design Προκαταρτικός σχεδιασμός Εννοιολογικός σχεδιασμός Δομική σχεδίαση CFD ανάλυση FSI μέθοδος Δομική ανάλυση Σύνθετα υλικά Πίτσης, Αντώνιος Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV |
description |
The purpose of this thesis is the design of the wing of a MALE class (Medium Al-
titude Long Endurance) unmanned aircraft vehicle. Initially, a survey is conducted
with the aim of collecting and comparing the performance of some unmanned aerial
vehicles which can also be characterized as "State of the art" in the field of UAVs.
Parameters such as flight speed, range, and payload are thus selected for the UAV
under design to be competitive. Afterwards in the conceptual design phase, the
calculations of the weights through an iterative process are conducted. Then the
wing load and the required thrust are selected through a graphical method based
on the FAR-23 airworthiness regulations. In the next phase, the design focuses on
the geometry of the wing, where basic design parameters will be selected for the
top view of the wing and airfoil. Additionally, through a methodology, based on
FAR-23 regulations, the maximum load factor is calculated. After the conceptual
design is complete, the wing is designed in CAD software. Then, proceeding to the
structural design of the wing, three different candidate structures will be examined
and compared with each other in terms of not only weight and stiffness, but also
issues related to manufacturing and assembly. The next phase of the study is the
aerodynamic analysis of the wing through FLUENT software and the finite element
method. The purpose of the aerodynamic analysis is to verify the aerodynamic be-
haviour but also to calculate the flight loads developed on the wing surfaces for their
use in structural analysis. The aerodynamic loads are transferred and applied to the
wing surfaces in the structural analysis phase through the FSI (Fluid Structure Inter-
action) method. Initially, it is chosen for each of the three structural analyzes to as-
sign composite materials. After the forces are transferred and the structural analysis
of each scenario is done, the models in which the structures are exclusively designed
from composite materials are compared with the corresponding ones designed from
aluminium alloy, so that conclusions can be drawn about the effectiveness in re-
ducing the weight and the very good mechanical behaviour of composite materials.
Finally, a study related to the manufacturing and assembly of each structure so that
useful conclusions can be drawn about which of the three structures is feasible and
achievable in terms of construction. |
author2 |
Pitsis, Antonios |
author_facet |
Pitsis, Antonios Πίτσης, Αντώνιος |
author |
Πίτσης, Αντώνιος |
author_sort |
Πίτσης, Αντώνιος |
title |
Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV |
title_short |
Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV |
title_full |
Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV |
title_fullStr |
Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV |
title_full_unstemmed |
Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV |
title_sort |
wing design case study for a male (medium altitude long endurance) uav |
publishDate |
2023 |
url |
https://hdl.handle.net/10889/24602 |
work_keys_str_mv |
AT pitsēsantōnios wingdesigncasestudyforamalemediumaltitudelongenduranceuav AT pitsēsantōnios meletēperiptōsēsschediasēspterygiōngiaenamalemēepandrōmenoochēma |
_version_ |
1771297177333661696 |
spelling |
nemertes-10889-246022023-03-01T04:35:28Z Wing design case study for a MALE (Medium Altitude Long Endurance) UAV Μελέτη περίπτωσης σχεδίασης πτερυγίων για ένα MALE μη επανδρωμένο όχημα Πίτσης, Αντώνιος Pitsis, Antonios Preliminary design Composites materials Structural analysis Fluid Structure Interaction (FSI) analysis MALE UAV CFD analysis Structural design Conceptual design Preliminary design Προκαταρτικός σχεδιασμός Εννοιολογικός σχεδιασμός Δομική σχεδίαση CFD ανάλυση FSI μέθοδος Δομική ανάλυση Σύνθετα υλικά The purpose of this thesis is the design of the wing of a MALE class (Medium Al- titude Long Endurance) unmanned aircraft vehicle. Initially, a survey is conducted with the aim of collecting and comparing the performance of some unmanned aerial vehicles which can also be characterized as "State of the art" in the field of UAVs. Parameters such as flight speed, range, and payload are thus selected for the UAV under design to be competitive. Afterwards in the conceptual design phase, the calculations of the weights through an iterative process are conducted. Then the wing load and the required thrust are selected through a graphical method based on the FAR-23 airworthiness regulations. In the next phase, the design focuses on the geometry of the wing, where basic design parameters will be selected for the top view of the wing and airfoil. Additionally, through a methodology, based on FAR-23 regulations, the maximum load factor is calculated. After the conceptual design is complete, the wing is designed in CAD software. Then, proceeding to the structural design of the wing, three different candidate structures will be examined and compared with each other in terms of not only weight and stiffness, but also issues related to manufacturing and assembly. The next phase of the study is the aerodynamic analysis of the wing through FLUENT software and the finite element method. The purpose of the aerodynamic analysis is to verify the aerodynamic be- haviour but also to calculate the flight loads developed on the wing surfaces for their use in structural analysis. The aerodynamic loads are transferred and applied to the wing surfaces in the structural analysis phase through the FSI (Fluid Structure Inter- action) method. Initially, it is chosen for each of the three structural analyzes to as- sign composite materials. After the forces are transferred and the structural analysis of each scenario is done, the models in which the structures are exclusively designed from composite materials are compared with the corresponding ones designed from aluminium alloy, so that conclusions can be drawn about the effectiveness in re- ducing the weight and the very good mechanical behaviour of composite materials. Finally, a study related to the manufacturing and assembly of each structure so that useful conclusions can be drawn about which of the three structures is feasible and achievable in terms of construction. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός της πτέρυγας ενός μη επανδρωμένου αεροσκάφους κατηγορίας MALE (Medium Altitude Long Endurance). Αρχικά διεξάγεται έρευνα με στόχο την συλλογή και σύγκριση των επιδόσεων ορισμένων μη επανδρωμένων αεροσκαφών που αποτελούν και "State of the art" στο πεδίο των UAV. Παράμετροι όπως η ταχύτητα πτήσης, η εμβέλεια, και το ωφέλιμο φορτίο επιλέγονται έτσι ώστε το υπό σχεδιασμό μη επανδρωμένο αεροσκάφος να είναι ανταγωνιστικό. ́Επειτα στην φάση του εννοιολογικού σχεδιασμού υπολογίζονται μέσω μίας επαναληπτικής δι- αδικασίας τα βάρη του υπό σχεδιασμού UAV, στην συνέχεια ο φόρτος της πτέρυγας αλλά και η απαιτούμενη ώση επιλέγονται μέσω μιας γραφικής μεθόδου η οποία στηρίζεται στους κανονισμούς αξιοπλοΐας FAR-23. Στην επόμενη φάση ο σχεδιασμός επικεντρώνεται στην γεωμετρία της πτέρυγας, όπου θα επιλεχθούν βασικές σχεδιαστικές παράμετροι για την κάτοψη της πτέρυγας και της αεροτομής. Επιπρόσθετα μέσω μιας μεθοδολογίας όπου στηρίζεται στους κανονισμούς FAR-23 υπολογίζεται ο μέγιστος συντελεστής φόρτου. Αφού ολοκληρωθεί ο εννοιολογικός σχεδιασμός, η πτέρυγα σχεδιάζεται σε λογισμικό CAD. ́Επειτα, προχωρώντας στην δομική σχεδίαση της πτέρυγας θα εξεταστούν τρείς διαφορετικές υποψήφιες δομές και θα συγκριθούν μεταξύ τους ως προς το βάρος, την δυσκαμψία που προσφέρουν, αλλά και θέματα σχετικά με το manufacturing και της συν- αρμολόγησης. Επόμενη φάση της μελέτης αποτελεί η αεροδυναμική ανάλυση της πτέρυγας μέσω του λογισμικού FLUENT και της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της αεροδυναμικής ανάλυσης είναι η επαλήθευση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς αλλά και ο υπολογισμός των πτητικών φορτίων που αναπτύσσονται στις επιφάνειες της πτέρυ- γας για την χρήση τους στην δομική ανάλυση της. Στην φάση της δομικής ανάλυσης μέσω της μεθόδου FSI (Fluid Structure Interaction) τα αεροδυναμικά φορτία μεταφέρονται και εφαρμόζονται στις επιφάνειες της πτέρυγας. Αρχικά για τις δομικές αναλύσεις επιλέγεται και για τις τρείς δομές να είναι κατασκευασμένες απο σύνθετα υλικά. Αφού μεταφερθούν οι δυνάμεις και γίνει η δομική ανάλυση κάθε δομής, συγκρίνονται τα μοντέλα στα οποία οι δομές είναι αποκλειστικά σχεδιασμένες απο σύνθετα υλικά με τις αντίστοιχες σχεδι- ασμένες απο κράμα αλουμινίου, έτσι ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για την αποτελεσ- ματικότητα στην μείωση του βάρους άλλα και την πολύ καλή μηχανική συμπεριφορά των σύνθετων υλικών. Τέλος γίνεται μελέτη σχετική με το manufacturing αλλά και το as- sembly της κάθε δομής έτσι ώστε να βγάλουμε χρήσιμα συμπεράσματα για το ποια απο τις τρείς δομές είναι υλοποιήσιμη και επιτεύξιμη κατασκευαστικά. 2023-02-28T08:58:45Z 2023-02-28T08:58:45Z 2023-02-28 https://hdl.handle.net/10889/24602 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf |