Design, analysis and optimization of thin walled semi-monocoque wing structures using different structural idealizations in the preliminary design phase

Abstract

Bu tezde değişik yapısal idealleştirme yöntemlerinin ince et kalınlıklı, güçlendirilmiş tipik bir kanat tork kutusunun tasarımı, analizi ve yapısal optimizasyonu üzerindeki etkileri üzerine kapsamlı bir çalışma sunulmaktadır. Yapısal tasarım fazında, uçak ön tasarım sürecinde tipik olarak kullanılan iki farklı yapısal idealleştirme yöntemi kullanılmıştır. Yapısal analiz kısmında genellikle güçlendirilmiş kanat yapılarının alt elemanlarını modellemek için kullanılan altı farklı bir ve iki boyutlu eleman çiftleri kullanılarak, tasarlanan kanat yapılarının sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Değişik sonlu eleman tiplerinin kullanılmasının kanat yapısının analiz sonuçları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Analiz çalışması sırasında, bazı eleman tiplerinin kanat yapısı üzerine etki eden harici yükü tam olarak yapıya aktarmada yetersiz kaldığı durumlar üzerinde de sonuçlar çıkarılmıştır. Optimizasyon kısmında ise analiz çalışması sırasında kullanılan altı farklı sonlu eleman çifti kullanılarak kanat yapısı en az ağırlık amacına yönelik olarak optimize edilmiştir. Sonlu elemanlar modelinde değişik bir ve iki boyutlu sonlu eleman çiftlerinin kullanılmasının,optimum kanat konfigürasyonları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu sayede, farklı sonlu eleman tipi seçimi ile optimum kanat yapısı arasındaki ilişki hakkında çıkarımlar yapılmıştır. Optimum tork kutusu konfigürasyonları, el hesabına dayalı tekrarlama yöntemi kullanarak elde edilmiş olan en iyi kanat tork kutusu konfigürasyonları ile kıyaslanmıştır.Tezde sunulan sonuçlara dayaranak, basitleştirilmiş yönteme dayalı tasarımlarda optimize edildiği takdirde, basitleştirilmiş yöntem ile kanat yapılarının ilk boyutlandırmalarının güvenilirlikle yapılabileceği sonucuna varılmıştır. Basitleştirilmiş yöntem ile elde edilen sonuçlar, sonlu elemanlar analizi gibi daha hassas metodlara gerek kalmadan, ilk boyutlandırmada basitleştirilmiş yöntemin uygulanabilir olduğunu göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Kanat Tork Kutusu, Havacılık ve Uzay Yapısal Tasarım, Yapısal Optimizasyon, Sonlu Elemanlar Analizi

This thesis gives a comprehensive study on the effect of using different structural idealizations on the design, analysis and optimization of thin walled semi-monocoque wing structures in the preliminary design phase. In the design part, wing structures are designed by employing two different structural idealizations that are typically used in the preliminary design phase. In the structural analysis part, finite element analysis of one of the designed wing configurations is performed using six different one and two dimensional element pairs which are typically used to model the sub-elements of semi-monocoque wing structures. The effect of using different finite element types on the analysis results of the wing structure is investigated. During the analysis study, depending on the mesh size used, conclusions are also inferred with regard to the deficiency of certain element types in handling the true external load acting on the wing structure. Finally in the optimization part, wing structure is optimized for minimum weight by using finite element models which have the same six different element pairs used in the analysis phase. The effect of using different one and two dimensional element pairs on the final optimizedconfigurations of the wing structure is investigated, and conclusions are inferred with regard to the sensitivity of the optimized wing configurations with respect to the choice of different element types in the finite element model. Final optimized wing structure configurations are also compared with the simplified method based designs which are also optimized iteratively.Based on the results presented in the thesis, it is concluded that with the simplified methods, preliminary sizing of the wing structures can be performed with enough confidence, as long as the simplified method based designs are also optimized. Results of the simplified method of analysis showed that simplified method is applicable to be used as an analysis tool in performing the preliminary sizing of the wing structure before moving on to more refined finite element based analysis.Keywords: Wing Torque Box, Aerospace Structural Design, Structural Optimization, Finite Element Analysis