Kul-34.4300 Aircraft Structural Design (4 cr) Structure Design for Assignment 1 INTEGRATED LECTURE IL-3 M Kanerva 2016
INTEGRATED LECTURE IL-3 Milestone 1: Revision of the report for assignment 1 Establishing the second assignment Page 2
Design Specification & Concept Development Design Specification Concept Development Page 3
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 4
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 5
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 6
Concept Development Composite Parts Lay-up Rules Symmetric laminates to be used; asymmetry results in structure distortion 0/90/45/-45 layer angles normally used: at least 10 % of layers in each direction is a normal practice Layers with different orientations should be dispersed through the thickness Number and orientation of layers in different parts of the structure varying in accordance with local loading (as possible) Page 7
Assignment 2 Kurssin aikana oppilaat ovat yhdessä suunnitteluorganisaatio, jonka tehtävänä on konseptoida ja mitoittaa määrätty lentokonerakenne. Toisessa harjoitustyössä mitoitetaan ensimmäisessä harjoitustyössä alustavasti suunniteltu rakennekonsepti. Harjoitustyön tuloksena saadaan alustavat mutta laskelmin perustellut materiaalipaksuudet konseptin eri rakenne-elementeissä. Uusien, tarkempien materiaalipaksuuksien avulla konseptin massa-arviota voidaan päivittää. Myös liitosten mittoja, sijaintia tai jopa rakenne-elementtien (kuten jäykisteet) konfiguraatioita voidaan päivittää. Page 8
Design Specification & Concept Development Design Specification Concept Development Page 9
Assignment 2 Ensimmäisen harjoitustyön mukaisesti siiven poikkileikkauksen tulee pystyä kantamaan kriittiset kuormat riittävällä varmuudella (MoS = 50 70 %). Tässä harjoitustyössä käytettävät suunnittelukuormat on alustavasti määritetty lentokoneen V-n piirroksen ja siiven verhokäyräanalyysin perusteella. Siiven rakenteen kannalta kriittisin kuormitustapaus koostuu seuraavan suuruisista poikkileikkauskuormista: Leikkausvoima Q z,limit = 75 000 N Leikkausvoima Q x,limit = 5 700 N Taivutusmomentti M x,limit = 190 000 Nm Taivutusmomentti M z,limit = -10 900 Nm Vääntömomentti M y,limit = -110 000 Nm Page 10
Assignment 2 Annetut poikkileikkauksen kuormat voidaan olettaa vakioiksi, kun käsiteltävän alueen leveys on Δy 1 m. Edellä annetut esisuunnittelussa määritetyt kuormat on laskettu arvioidun rakenteen elastisella akselilla (kulkee poikkileikkauksen vääntökeskiön läpi). Eri voimien positiiviset suunnat suhteessa poikkileikkaukseen on annettu alla olevassa rakennekoordinaatistossa. Puolikkaan siiven rakenne-koordinaatistossa Y- akseli osoittaa tyvestä kärkeä kohti (ja X-akseli osoittaa lentokoneen takarungon suuntaan). Page 11
Assignment 2 Harjoitustyön raportin tulee sisältää ainakin seuraavat laskelmat ja selvitykset kaavoineen ja tuloksineen: Poikkileikkausrakenteelle tulee laskea taivutuksesta, leikkauksesta ja väännöstä aiheutuvat paikalliset sekä normaalivoima- että leikkausvoimavuojakaumat. Vuojakaumat tulee esittää eri kohdissa poikkileikkausrakennetta graafisesti. Valittujen rakennemateriaalien mekaaniset ominaisuudet tulee listata tarkasti. Lukuarvojen tulee vastata suunnittelussa käytettyjä arvoja. Materiaalimallin eli (paikallisten) jännitysten laskennan selvitys. Suunnitellun rakenteen pettämismoodit (murtumisen sekä epästabiliteetin suhteen) tulee selvittää. Varmuusmarginaaliarvot (MoS-arvot) sekä murtumiseen että epästabiliteettiin tulee taulukoida jokaisen rakenne-elementin osalta. Rakenteen yhdistetty kuormitus on huomioitava laskelmissa. Konseptin massa-arviota tulee tarkentaa saatujen materiaalipaksuuksien avulla. Laskentamenetelmiin liittyvät oletukset tulee selvittää sekä arvioida niiden vaikutusta analyyseihin. Page 12
Assignment 2 Työmäärän tulee olla kohtuullinen, joten työssä tulee tehdä raakoja yksinkertaistuksia: 1. Tarkastelu rajoitetaan ainoastaan edellä ilmoitettuun kuormitustilaan. 2. Epästabiliteettia ei sallita edes rakenteen murtokuormalla. 3. Liitoksien yksityiskohtia (kuten liimakerros tai liitinelimet) ei tarvitse huomioida vuo- tai jännitystarkasteluissa. 4. Lievästi kaarevat pinnat voidaan arvioida tasomaisiksi. Page 13
Assignment 2 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: 14.3. (2016) Lopullinen työ tulee olla palautettuna paperiversiona viimeistään viikolla 12: 27.3. (2016) Työhön sopivaa lähdemateriaalia (kurssien Kul-34.4300 sekä Kul-34.3300 materiaalien lisäksi): Jännitysten ja vuokuvaajien laskenta yleisesti: - Megson, T.H.G. Aircraft Structures for Engineering Students. 3. painos. 1999. Arnold (Wiley). - Niu, M.C.Y. Airframe Stress Analysis and Sizing. 1. / 2. painos. 1997. Hong Kong Conmilit Press. Komposiittimateriaalien ominaisuudet ja laskenta: - Saarela, O. et al. Komposiittirakenteet. 2007. Muoviyhdistys Komposiisttirakenteiden suunnittelu ja knock-down kertoimia: - Composite Design Handbook (ESA PSS-03-1101). 1988. European Space Agency. (kysy lainaan assistentilta) Page 14
DIRECT ANALYTICAL METHODS Laminate analysis (e.g. CPT) and design FPF and linear region!" Design with CPT can be united with other analytical methods, such as shell theory Iterative calculation with CPT and shell theory can be used for fast and relatively accurate initial sizing of thin-walled structures M Kanerva Page 15
DIRECT ANALYTICAL METHODS Laminate analysis (e.g. CPT) and design Instability analysis is required in addition to stress analyses for thinwalled structures design loops Analytical-empirical methods also available for instability analysis (e.g. ESDU) External loads" In-plane loads (shear and normal flow)" Laminate stress analysis (CPT)" Shell analysis for structure" No update laminate design" Required strength achieved?" Yes" Instability analysis" M Kanerva Page 16
DIRECT ANALYTICAL METHODS External loads" and structure concept" Shell analysis for main load path structure" Yes" Proceed to detail design" In-plane loads (shear and normal flow)" No update laminate design" Changes affect main load paths?" Laminate stress analysis (CPT)" Required strength achieved?" Yes" No" No - update stiffening concept" Instability analysis" Required margin to instability achieved?" Yes" O M Kanerva Page 17