Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13089
Title: Σχεδίαση, βελτιστοποίηση και κατασκευή πτέρυγας μη επανδρωμένου αεροσκάφους από σύνθετα υλικά
Other Titles: Design, optimization and construction of unmanned aircraft wing from composite materials
Authors: Παπαδόπουλος, Γεώργιος Ραφαήλ
Keywords: Πτέρυγα
Σύνθετα υλικά
Αλγόριθμος βελτιστοποίησης
Ανάλυση δοκού πτέρυγας
Κλασική θεωρία πολυστρωματικών πλακών
Διαδραστικός καθοδικός αλγόριθμος
Συντελεστής αποθέματος
Πολυπαραμετρική βελτιστοποίηση
Βέλτιστα κατά Pareto σημεία
Keywords (translated): Wing
Composite materials
Optimization algorithm
Main wing spar
Classical Lamination Theory
Interactive descent algorithm
Reserve factor
Multicriteria optimization
Optimal Pareto design points
Abaqus
Abstract: Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση, βελτιστοποίηση και κατασκευή της πτέρυγας ενός μη επανδρωμένου αεροσκάφους από σύνθετα υλικά. Το κέντρο βάρους της εργασίας μεταφέρεται στη μελέτη, την ανάλυση και το σχεδιασμό της κύριας δοκού της πτέρυγας, η οποία καλείται να αντεπεξέλθει στις δομικές καταπονήσεις, στις οποίες αυτή υπόκειται. Η διαδικασία αυτή γίνεται με γνώμονα την διατήρηση μεγάλου λόγου αντοχής προς βάρος, διατηρώντας το βάρος σε, όσο το δυνατόν, χαμηλά επίπεδα. Για να επιτευχθεί αυτό, ήταν απαραίτητη η υλοποίηση ενός αλγορίθμου βελτιστοποίησης, μέσω του οποίου προσδιορίστηκε η βέλτιστη διαστρωμάτωση για την κύρια δοκό. Σε κάθε περίπτωση, για τη εύρεση της βέλτιστης διαστρωμάτωσης εξετάστηκαν τέσσερις δυνατοί προσανατολισμοί, με βασικό κριτήριο την υλοποιησιμότητα και εφικτότητα της κατασκευής. Συνοπτικά, η εργασία είναι διαρθρωμένη σε πέντε κεφάλαια. Τα κεφάλαια παρατίθενται με νοηματική σειρά, περιέχοντας το καθένα τις απαιτούμενες πληροφορίες για την κατανόηση εννοιών και διαδικασιών που έχουν χρησιμοποιηθεί. Με αυτό τον τρόπο, καθίσταται ευκολότερη η παρακολούθηση της πορείας που ακολουθήθηκε για την ολοκλήρωσή της. Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια εισαγωγή και εκτελείται μια σύντομη ανασκόπηση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια περιγράφεται το πρόβλημα που πραγματεύεται η εργασία και διατυπώνονται ορισμένα βασικά επιθυμητά αεροδυναμικά χαρακτηριστικά του αεροσκάφους. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος υπολογισμού διαφόρων χαρακτηριστικών της κύριας δοκού της πτέρυγας. Η δοκός διακριτοποιείται σε επί μέρους τμήματα στα οποία γίνεται ο προσδιορισμός τάσεων και παραμορφώσεων με την χρήση της κλασικής θεωρίας πολυστρωματικών πλακών. Στη συνέχεια διατυπώνεται το θεωρητικό υπόβαθρο για την διαπίστωση εκδήλωσης πιθανής αστοχίας σε κάποιο/α από τα τμήματα αυτά. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το θεωρητικό πλαίσιο για την δόμηση του διαδραστικού καθοδικού αλγορίθμου. Στο σημείο αυτό εισάγεται η έννοια του συντελεστή αποθέματος και της πολυπαραμετρικής βελτιστοποίησης. Ακολούθως, διατυπώνεται η έννοια των βέλτιστων κατά Pareto σχεδιαστικών σημείων και ορίζεται η συνολική δομή του κώδικα. Με την ολοκλήρωση των προηγούμενων κεφαλαίων, στο τέταρτο κεφάλαιο συντελείται η επίλυση του προβλήματος και εξάγονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Επίσης, γίνεται μια περιορισμένης έκτασης σύγκριση των αποτελεσμάτων του κώδικα για μία περίπτωση φόρτισης με αυτά του προγράμματος Abaqus/CAE, προκειμένου να είναι εφικτή η αποτίμηση των μεταξύ τους αποκλίσεων. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα της μελέτης που διεξήχθη και αξιολογούνται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη διεξαγωγή των αναλύσεων. Επίσης, επισημαίνονται οι αδυναμίες του κώδικα και γίνονται προτάσεις για μελλοντική βελτίωση, μελέτη και έρευνα.
Abstract (translated): The purpose of the present work is to design, optimize and fabricate the wing of a small unmanned aircraft from composite materials. The central focus of the work shifts to the study, analysis and design of the main wing spar, which is called upon to cope with the structural stresses to which it is subjected. This procedure is done to maintain a high strength to weight ratio, while keeping the weight as low as possible. To achieve this, it was necessary to implement an optimization algorithm, which determined the optimal layering for the main spar. In this analysis, four possible orientations were examined to find the optimal layering, with the key criterion being the feasibility of the construction. In short, the work is structured into five chapters. The chapters are listed in a semantic sequence, each containing the information needed to understand the concepts and procedures used. In this way, it is easier to follow the path taken to complete it. In the first chapter, an introduction is made, and a brief review of the existing literature is performed. Τhe problem is described and some basic desirable aerodynamic characteristics of the aircraft are outlined. The second chapter presents the method of calculating various characteristics of the main spar of the wing. The beam is subdivided into segments in which stresses and strains are determined using Classical Lamination Theory. The theoretical background for identifying a possible failure in one of these segments is then formulated. The third chapter describes the theoretical framework for the construction of the interactive descent algorithm. This is where the concepts of Reserve Factor and multicriteria optimization are introduced. Then, the concept of optimal Pareto design points is formulated, and the overall structure of the code is defined. Upon completion of the previous chapters, the fourth chapter copes with the solution of the problem and the results of the analysis are presented. In this chapter a comparison of the code’s results for a loading case with those of the Abaqus / CAE program is made, in order to assess the differences between them. Finally, the fifth chapter summarizes the conclusions of the study carried out and evaluates the results of the analyses. The weaknesses of the code are also highlighted and suggestions for future improvement, study and research are made.
Appears in Collections:Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)



This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons