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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-8487-3305
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Embargo Date: 2024-07-15
Title: Structural and aeroelastic design optimization of truss-based modular wing structures
Alternate title (s): Projeto e otimização estrutural e aeroelástica de asas treliçadas e formadas por estruturas modulares
Author: Silva, Higor Luis
First Advisor: Guimarães, Thiago Augusto Machado
First coorientator: Castro, Saullo Giovani Pereira
First member of the Committee: Aldemir Aparecido, Cavalini Júnior
Second member of the Committee: Pereira, Daniel de Almeida
Third member of the Committee: Souza, Francisco José de
Fourth member of the Committee: Sanches, Leonardo
Fifth member of the Committee: Pedras, Marcos Heinzelmann Junqueira
Summary: Este trabalho estuda uma nova abordagem de projeto e otimização estrutural e aeroelástica de asas utilizando estruturas modulares do tipo treliça. Em virtude das metas de redução de emissão de poluentes e da alta demanda por aeronaves cada mais mais leves e eficientes, este tema de pesquisa tem se tornado muito relevante atualmente, se tornando uma contribuição relevante nas novas abordagens de projeto aeronáutico. Neste contexto, a ideia de utilização de estruturas modulares vem com a promessa de fabricação eficiente e custos de manutenção reduzidos. Assim, o trabalho propõe uma nova abordagem de topologia estrutural, eliminando os elementos tradicionais, como longarinas e nervuras, e substituindo por estruturas modulares do tipo treliça, que são conectadas por juntas esféricas em suas extremidades. A malha topológica das estruturas são criadas a partir da triangulação e tesselagem de Delaunay. O modelo estrutural é baseado em dois tipos de elementos finitos: elementos de viga e quadriláteros. Os elementos de viga são definidos a partir dos elementos consistentes de Timoshenko e os quadriláteros são baseados na cinemática Mindlin-Reissner usando interpolação bilinear e integração reduzida para evitar shear locking. O Método Doublet-Lattice é usado para calcular a aerodinâmica subsônica não estacionária, e o método P-K é usado para calcular a solução do sistema aeroelástico. Para exemplos e estudos de caso, é utilizada a geometria da asa do FLEXOP como referência para as dimensões. São propostas três otimizações, onde em todas as funções objetivos são minimizar o peso estrutural da asa e maximizar a velocidade de flutter. A primeira otimização tem como variáveis de projeto o número de pontos de controles, ou nós, em cada aerofólio e o número de seções ao longo da envergadura. Na segunda otimização, são otimizados individualmente os diâmetros externos e espessuras de cada uma das estruturas modulares, podendo, inclusive, eliminar aquelas desnessárias. Os resultados mostram que é possível obter asas relativamente leves e que atendam aos requisitos estruturais e aeroelásticos; todavia, a definição dos parâmetros de otimização influenciam diretamente na geração da malha e custo computacional da otimização. Sobretudo, as estruturas modulares têm se mostrado uma boa estratégia no projeto estruturas de novos conceitos de asa.
Abstract: This work studies a new design approach and structural and aeroelastic optimization of wings using truss-based modular structures. Due to pollutant emission reduction targets and the high demand for increasingly lighter and more efficient aircraft, this research topic has become very relevant today, becoming a relevant contribution to new approaches to aeronautical design. In this context, the idea of using modular structures comes with the promise of efficient manufacturing and reduced maintenance costs. Thus, the work proposes a new approach to structural topology, eliminating traditional elements, such as spars and ribs, and replacing them with modular truss-based structures, which are connected by spherical joints at their ends. The topological mesh of the structures are created from the Delaunay triangulation and tessellation. The structural model is based on two types of finite elements: beam and quadrilateral elements. The beam elements are defined from consistent Timoshenko elements and the quadrilaterals are based on Mindlin-Reissner kinematics using bi-linear interpolation and reduced integration to prevent shear locking. The Doublet-Lattice Method is used to predict the unsteady subsonic aerodynamics, and the P-K method is used to compute the aeroelastic system solution. For the examples and case studies, a reference wing geometry from the FLEXOP project is used as a baseline. Two optimizations are proposed, where in all the objective functions are to minimize the structural weight of the wing and to maximize the flutter speed. The first optimization has as design variables the number of control points, or nodes, in each airfoil and the number of sections along the span. In the second optimization, the external diameters and thicknesses of each of the modular structures are individually optimized, even eliminating unnecessary ones. The results show that it is possible to obtain relatively light wings that meet the structural and aeroelastic requirements; however, the definition of the optimization parameters directly influence the mesh generation and computational cost of the optimization. Above all, modular structures have proved to be a good strategy in the design of structures for new wing concepts.
Keywords: Wing design
Modular structures
Delaunay Triangulation
Doublet lattice method
Optimization
Projeto de asa
Estruturas modulares
Triangulação de Delaunay
Método doublet lattice
Otimização
Engenharia mecânica
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::ESTRUTURAS AEROESPACIAIS::AEROELASTICIDADE
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::ESTRUTURAS AEROESPACIAIS::PROJETO DE ESTRUTURAS AEROESPACIAIS
Subject: Engenharia Mecânica
Aeronaves
Aviões - Aerodinâmica
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: SILVA, Higor Luis. Structural and aeroelastic design and optimization of truss-based modular wing structures. 2022. 179 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.345.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.345
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35311
Date of defense: 15-Jul-2022
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