Kul Aircraft Structural Design (4 cr) Structure Design for Assignment 1 INTEGRATED LECTURE IL-1

Transkriptio

1 Kul Aircraft Structural Design (4 cr) Structure Design for Assignment 1 INTEGRATED LECTURE IL-1 M Kanerva 2016

2 INTEGRATED LECTURE IL-1 Forming of the student design organization Establishing and introducing the first assignment Page 2

3 Student Design Organization Roles: Leader (scheduling, coordination = pushing) Publisher (data collection, report finalising + delivery) Conceptual design group: 2-4 students Manufacture design group: 2-3 students Sizing and detail design group: 3-5 students Fatigue analysis group: 3-5 students (additional roles, e.g. V&V group/person) Meetings by all group (1..5 meetings) + group meetings/workshops Page 3

4 Student Design Organization Roles: Leader = Heli Publisher = Emma The rest of the organization structure is defined finally in the report Page 4

5 Student Design Organization Roles: Conceptual design group: Nipun, Ari, Tomas, Lauri, Manufacture design group: Otto, Niko, Matias Sizing and detail design group: Jussa, Antti, Tuomas M, Tuukka Fatigue analysis group: Tom H, Tuomas, Ibrahim, Erkka Page 5

6 Assignment 1 Kurssin aikana oppilaat ovat yhdessä suunnitteluorganisaatio, jonka tehtävänä on konseptoida ja mitoittaa määrätty lentokonerakenne. Ensimmäisessä harjoitustyössä suunnitellaan siiven kantavalle rakenteelle sopivaa konseptia. Konseptin tulee soveltua spesifikaation mukaiseen tarkoitukseen ja täyttää sille määrätyt vaatimukset. Hyvän konseptin kehittäminen edellyttää potentiaalisen konseptin arvioimista erilaisten riskien kannalta. Tämän harjoitustyön ydin keskittyy alustavasti suunnitellun konseptin (laadulliseen) arvioimiseen. Page 6

7 Design Specification Overview Aircraft type specification defines the aircraft to be designed Design specification of aircraft sections, subassemblies and systems are derived from the type specification Page 7

8 Concept Development Overview To find a structure that meets the specification and can be realised without a considerable risk. To be defined: materials structure/system solutions manufacture integration Installation..in order to find reliable estimates for the mass and cost of the aircraft structure Page 8

9 Design Specification & Concept Development Design Specification Concept Development Page 9

10 Design Specification Contents Functions Geometry Design features of the structure Loads Design criteria Maintainability Methods and tools Page 10

11 Design Specification Functions Functions of the structure are specified to the level needed for the design phase. E.g. for a deflecting surface: purpose and use deflection angles support and deflection mechanisms Page 11

12 Design Specification Geometry Geometry is derived from the existing specification and master geometry of the aircraft, and from the concepts of interfacing structures. E.g. for a deflecting surface: dimensions surface geometry clearance envelope hinge locations actuator location Page 12

13 Design Specification Structure Structure to be realised is specified to the level needed. E.g. for a deflecting surface: fail-safe requirements fit to surrounding structures aerodynamic sealing prevention of fretting required/acceptable means for lightning protection applicability of a sandwich structure Page 13

14 Design Specification Materials Materials with approved specifications and design data available are normally allowed to be used Further project related restrictions may be set, ruling out e.g.: too expensive materials materials with only one/a few suppliers Candidate materials for A380 wing in the conceptual design phase of the aircraft Page 14

15 Design Specification Loads Simplified load specification is typically used in the concept design phase: only the most important (severe) load cases are considered simplified air load distributions may be used scaling of passed project load data may be utilised Load data are complemented as the aircraft design proceeds Page 15

16 Design Specification Design Criteria Airworthiness Airworthiness requirements are defined with applicable CS/FAR paragraphs and AMC s, e.g. for a transport aircraft CS/FAR 25 Subpart C - Structure CS/FAR 25 Subpart D - Design and construction AMC Damage Tolerance and Fatigue Evaluation AMC Composite Aircraft Structure... Page 16

17 Design Specification Design Criteria Weight/Cost Target Weight/cost target is derived from the target set for the whole aircraft Technology development is accounted for in target setting Scaled values of passed project data are utilised in target definition W 1 W 3 W 2 W = f ( b, c, h,...) Page 17

18 Design Specification Design Criteria Damage Tolerance 1/2 Typical damage tolerance (DT) requirements for composites: An intact structure shall carry the applied cyclic loads for the specified lifetime without any failures, i.e. without delaminations, matrix cracking and fibre/matrix interphase failures, and ultimate loads without failure A structure containing manufacturing defects allowed per the process specifications shall carry limit loads for a specified time (e.g. for two design service lives) without damage growth, and ultimate loads without final failure A structure containing specified barely visible in-service damage must withstand limit loads for a specified time (e.g. for two design service lives) without damage growth, and ultimate loads without final failure A structure containing specified visible in-service damage must withstand limit loads for a specified time, e.g. for two inspection intervals (damage growth is allowed) Page 18

19 Design Specification Design Criteria Damage Tolerance 2/2 An example of DT (design load) requirements for composite structures US: UltraSonic DVI: Detailed Visual Inspection DVI: General Visual Inspection UL: Ultimate Load LL: Limit Load Page 19

20 Design Specification Design Criteria Sizing Examples of sizing criteria: environmental conditions to be taken into account allowed deformations (also in a deflected state, as applicable) stress allowables and failure criteria ensuring the required fatigue life and damage tolerance instability criteria (e.g. allowed panel buckling load level) Design stress (ksi) SCF Note! As needed, the stress allowables are defined separately for different stress concentration factors (SCFs) Page 20

21 Design Specification Maintainability Requirements are set e.g. for: inspection damage resistance reparability repair methods interchangeable and replaceable items (assembly, subassemblies and elementary parts) Page 21

22 Design Specification Methods and Tools Requirements are set e.g. for Applicable software (e.g. CAD and FE tools) Deliveries and their schedule, taking into account design and analysis needs of the whole aircraft (weight reports, FE models, structure models, analysis reports, etc.) Design follow-up process Page 22

23 Assignment 1 Tarkasteltava rakennekohta on siiven poikkileikkaus. Poikkileikkaukseen liittyvät vaatimukset on muotoiltu spesifikaatioon seuraavasti: Alustava siiven geometria asettaa rajoitteita poikkileikkauksen suunnittelulle: - Tarkasteltavan poikkileikkauksen jänteen pituus on c = 4.8 m (siiven trapetsisuus c t / c r 0.25) - Käytettävän siipiprofiilin paksuussuhde on t / c = Profiilin tulee soveltua nopeaan matkalentoon (Mach 0.82) Poikkileikkaukseen kohdistuva kriittisin kuormitustapaus on alustavasti analysoitu ja se muodostuu oleellisesti seuraavista kuormista, kun siipi(kotelo) ajatellaan palkkimaiseksi runkoon kiinnitetyksi rakenteeksi: - Taivutusmomentti - Vääntömomentti - Leikkausvoima Muut poikkileikkauksen ominaisuudet: - Siiven sisätila muodostaa mahdollisimman suuren polttoainetankin - Käsiteltävän rakenteen jättöreunalle tulee varata tila laskusiivekkeille - Käsiteltävä rakenne on kaarilla tuettu - Salkorakenteet ja mahdolliset jäykisteet ovat jatkuvia rakenteen tyvestä kärkeen - Rakenteen valmistusmenetelmien tulee soveltua massatuotantoon Page 23

24 Assignment 1 Yleisohjeistus työhön: Raportoikaa rakenteen Spesifikaatio tarkasti rakennekonseptin suunnittelua varten! Konseptin yleisen kuvauksen tulee selvittää rakenteesta kaikki riittävät tiedot, mm. - Yksionteloisen vääntökotelon poikkileikkauksen geometrian kuvaus piirroksessa, jossa alustavat materiaalipaksuudet ja eri rakennemateriaalit on osoitettu; - Selvitys erillisistä rakenne-elementeistä ja erityisesti niiden välisistä liitoksista; - Miten epästabiliteetti pyritään välttämään paneelimaisissa / sauvamaisissa rakenne-elementeissä? - Mahdollisten fail-safety / safe-life ominaisuuksien selvittäminen; - Rakenteen ja sen osien verifiointi? Luentokalvoista löytyy spesifikaation ja konseptisuunnittelun kannalta oleelliset suunnittelunäkökohdat! Page 24

25 Concept Development How to Start? Geometry, functionality and load requirements define applicable concepts: environmental requirements external geometry interfaces required fail-safe features load cases Constraints set by maintainability requirements must also be noted: interchangeable/replaceable components inspection requirements Page 25

26 Concept Development How to Proceed? Concept development typically proceeds as follows: 1. Baseline concept is selected, designed and sized, and evaluated 2. Derivatives of the baseline concept are developed, designed and sized 3. As applicable, concepts based on other architectures and/or technologies are developed, designed and sized 4. The concepts are ranked on the basis of their (1) weight, (2) cost, (3) maintainability and (4) risks Note! Development testing is performed as needed to evaluate structural efficiency and/or manufacture of a concept Page 26

27 Assignment 1 Arvioikaa konseptia suhteessa olemassa oleviin ratkaisuihin. Perustelkaa arviot selvittämällä yksityiskohtaisesti konseptisi kyseinen ominaisuus suhteessa pohdittuihin vaihtoehtoisiin ratkaisuihin. Rakennemassa: - Arvioikaa karkeasti poikkileikkauksen rakennemassa (kg/m). Miten konseptissa pyritään keveyteen? Missä yksityiskohdissa on tingitty keveydestä ja miksi? Miten olisi voitu päästä vielä keveämpään rakenteeseen? Valmistettavuus: - Suunnitelkaa alustavasti valmistusvaiheiden ja kokoonpanon prosessit. Miten konseptissa pyritään tehokkaaseen valmistustekniikkaan? Missä yksityiskohdissa on tingitty yksikertaisesta valmistuksesta ja miksi? Miten olisi voitu edelleen tehostaa valmistusta? Miten valmistusmäärät vaikuttavat konseptin valmistettavuuteen? Taloudellisuus ja toimivuus käytön aikana: - Mitkä yksityiskohdat vaativat todennäköisesti eniten suunnittelutyötä? Miten konseptissa pyritään helppoon ja sujuvaan huoltotoimintaan? Mitkä yksityiskohdat saattavat tuoda ongelmia käytön aikana ja millaisia? Riskitekijät: - Mitä asioita edellisiin kohtiin liittyen on vaikeaa arvioida etukäteen eli millaisia riskejä konseptiin liittyy? Pohdi erityisesti konseptin toimivuutta sekä huoltotoimintaa käytön aikana. Taulukoi riskien vaikutus (alla olevan mukaisesti) omaan taulukkoonsa. Page 27

28 Assignment 1 Harjoitustyö tulee kirjoittaa ulkoasultaan selkeäksi ja yleisesti tieteellistä tekstiä vastaavaksi. Varsinkin työssä käytettyjen lähteiden merkitsemiseen tulee kiinnittää huomiota Ensimmäinen versio työstä tulee olla palautettuna paperiversiona viikolla 6: 8.2. (2016) Lopullinen työ tulee olla palautettuna paperiversiona viimeistään viikolla 7: (2016) Työhön sopivaa lähdemateriaalia (kurssien Kul sekä Kul materiaalien lisäksi): Yleiset rakenneratkaisut: - Niu, M.C.Y. Airframe Structural Design. 2. painos. 1999, Hong Kong Conmilit Press. Rakennemassa-arvioita sekä rakenneratkaisuja: (Ch. 7 ja Ch. 8) - Torenbeek, E. Synthesis of Subsonic Airplane Design Delft University Press. Komposiittirakenteiden rakenneratkaisut ja valmistus: - Niu, M.C.Y. Composite Airframe Structures Hong Kong Conmilit Press. (kysy kurssihenkilökunnalta lainaksi) Metallirakenteiden perinteinen valmistus: - Horne, D.F. Aircraft Production Technology Cambridge University Press. (kysy kurssihenkilökunnalta lainaksi) Konseptisuunnittelu yleisesti: - Howe, D. Aircraft Conceptual Design Synthesis Professional Engineering. (kysy kurssihenkilökunnalta lainaksi) Valmistutekniikka kehittyineisiin komposiitteihin liittyen: - Sampe Journal (kysy kurssihenkilökunnalta lainaksi) Page 28

29 Assignment 1 Huomioikaa organisaation (henkilöiden) taidot ja kiinnostuksen kohteet konseptia kehitettäessä rakenneominaisuuksia valittaessa! Page 29

30 Design Specification & Concept Development Design Specification Concept Development Page 30