Structural design optimization of an aircraft composite wing-box using curvilinear stiffeners

Abstract

Inside this report the concept of stiffening the wing covers of a forward swept wing with curvilinear stringers is presented. The objective is to investigate the influence of such curvilinear stiffeners on the structural behavior, especially w.r.t. aeroelastic tailoring capabilities and in comparison to traditional stiffener arrangements that are straight and/or parallel to front or rear spar. For structural analysis purposes a state-of the-art finite element model software is used. The curvilinear stringer paths are defined using polynomial functions providing large design flexibility. The wing FEM is assembled using contact methods (“permanent glued contact”) that enables to join the curvilinear stringers to the wing covers both having dissimilar meshes. For optimization purposes a fully parametric FEM is generated and embedded into an overarching design optimization procedure that includes geometrical (e.g. stringer positions) and composite (ply thickness) design variables. The optimization process includes structural design objectives like mass, buckling behaviour and wing deformations (bending and twisting).

In dieser Arbeit werden die Gurtplatten eines vorwärts gepfeilten Faserverbund-Flügels mit krummlinig verlaufenden Versteifungselementen versteift. Es wird untersucht, welchen Einfluss solche Versteifungselemente auf das Strukturverhalten haben (insbesonders hinsichtlich aeroelastic tailoring) im Vergleich zu den üblicherweise geradlinig und parallel verlaufenden Stringer. Die Strukturanalyse erfolgt mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Die krummlinig verlaufenden Versteifungselemente sind durch polynomiale Funktionen definiert und bieten eine große Entwurfsflexilität. Die Strukturkomponenten des FE Modells sind mittels Kontaktmethoden („permanent glued contact“) gekoppelt, welche die Verbindung von nicht-koinzidenten Vernetzungen ermöglichen. Ein voll-parametrisches FEM ist entwickelt und in eine überspannende Strukturoptimierungsprozedur eingebunden, welche geometrische (z.B. Stringer-positionen) und laminatspezische (Schichtdicken) Entwurfsvariablen enthält. Die Auslegungskriterien Masse, Stabilität und Steifigkeit (Flügeldurchbiegung und –torsion) werden berücksichtigt.