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Design, discretization and material optimization of a commercial aircraft wing

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2019-10
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2019-10-04
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Este trabajo se centra en el diseño simplificado del ala de un avión comercial, su discretización, y posterior estudio parámetrico de diferentes factores relacionados con los materiales compuestos, que pueden alterar su comportamiento sobre el revestimiento de dicha estructura. Los materiales compustos, son cada vez más estudiados en la industria aeroespacial, pues, ofreciendo mejores respuestas que los materiales metálicos, suponen un aumento en seguridad, reducción en peso y por lo tanto, ahorro económico. Esta mejora se debe, entre otras cosas, a que las propiedades resistivas de los materiales compuestos, son mejores que las propiedades de sus constituyentes por separado. El presente trabajo se ha desarrollado mediante simulaciones sobre el diseño, usando el Modelo de Elementos Finitos. Los programas utilizados han sido, Catia V5 para el modelaje, HyperMesh para la malla y Abaqus CAE para el análisis y resultados. La malla se ha validado con un proceso de sensibilidad, tratando de que el espacio entre elementos fuese lo más constante posible y así poder adquirir resultados lo más próximos a la realidad. Tras dicha validación, el estudio paramétrico ha consistido en variar cuatro parámetros directamente relacionados con los materiales compuestos como son: el tipo de compuesto, variación en el grosor, secuencia y orientación; así como también un pequeño estudio en la influencia de dos tipos de cargas aplicadas al modelo (distribución de presion y fuerza del cuerpo). Entre los resultados obtenidos en el trabajo cabe destacar: la notable mejora que ofrece una variación de grosor a lo largo de la estructura, con un aumento de este en la zona encastrada y reducción conforme acercamiento a la punta. La influencia de la orden en la orientación de las capas quedando [07/907/457/ − 457]S como mejor resultado y por último la bajada de rendimiento cuando las capas orientadas a 45 grados son cambiadas por las capas orientadas a 15 y 30 grados.
This thesis is focused in the simplified design of a commercial aircraft wing, its discretization, and later parametric study of some factors related to composite materials, which can alter its performance over the wing skin. Composite materials, are increasingly studied over the aerospace sector then, offering better response that metallic materials, they involve an increase in security, weight reduction and, therefore, economic savings. This improvement, among other things, is due to resistive properties for composite materials are better than the properties of their constituents separately. This work has been developed by numeric simulations done to the model, based on Finite Element Method (FEM). Used software have been, CATIA V5 for the modeling, HyperMesh for the mesh and, Abaqus CAE, for the analysis and results. The mesh is certified by a mesh sensibility analysis, trying to equalize grid space as much as possible to reach results close to reality. After the validation, a parametric study has consisted on vary four parameters directly related to composite materials as: type of composite material, thickness variation, ply sequence and orientation, as well as a small study about the influence of two load types applied over the model (pressure distribution and body force). Among the results obtained in this thesis, it can be remarkable: the improvement the structure suffers when a variation of the thickness is done through different sections of the wing, thicker close to the clamped area and some reductions when reaching the tip. The influence of the sequence order of the plies with [07/907/457/ − 457]S as best combination for the wing skin, and, finally, the reduction in performance when plies oriented 45 degrees are changed by plies oriented to 15 or 30 degrees.
Description
Keywords
Composite materials, Von Mises, Finite Elements Method (FEM), Computational Aided Engineering (CAE)
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