Virginia Tech verbetert composiet vliegtuigontwerp met nieuwe IGA voor skin-stringer structuren met complexe uitschavingen

Geünificeerde structuren worden gebruikt om lichtere en milieuvriendelijkere vliegtuigen te bouwen. Dergelijke geavanceerde, multi-gelaagde composietmaterialen bieden hoge sterkte-gewichtsverhoudingen en worden daarom steeds vaker gebruikt in de luchtvaart- en scheepsbouwindustrie.

Toch ervaren dergelijke structuren bij hypersonische ruimtevaartuigen een significante temperatuurstijging in korte tijd, als gevolg van aerodynamische verwarming door wrijving tussen het voertuigoppervlak en de atmosfeer. Dergelijke fenomenen zijn meer uitgesproken tijdens herintree- en lanceringprocessen. Daarom is het overwegen van thermische effecten belangrijk in het ontwerp en de analyse van dergelijke structuren.

Vanwege een toename in eisen aan gelamineerde composieten, voor een overvloed aan engineering-toepassingen, is het gebruik van platen willekeurig gevormde uitschavingen onvermijdelijk. Maar de reactie van structuren op belasting kan significant beïnvloed worden door de aanwezigheid van dergelijke uitschavingen. Aangezien de bestudering van gelamineerde composieten met uitschavingen een complex probleem is, worden numerieke methoden uitgebreid gebruikt. Nu hebben onderzoekers van de Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech, Blacksburg, Virginia, VS) de onlangs ontwikkelde isogeometrische analyse (IGA) gecombineerd om gekromd verstevigde composietpanelen met uitschavingen van verschillende vormen en groottes te modelleren.

Volgens Dr. Balakrishnan Devarajan, een voormalige PhD-student bij de Unitized Structures Group op Virginia Tech, "biedt IGA verhoogde nauwkeurigheid en efficiëntie en vertegenwoordigt de exacte geometrie van de stringers op elk niveau van netverfijning. Het stelt ook meer flexibiliteit in verfijning in de buurt van de gebieden waar de stringers en de composietplaat verbonden zijn, in."

De ontwikkeling die voltooid is door Dr. Devarajan en zijn medewerker, Dr. Rakesh Kapania, introduceert een nieuwe manier om verplaatsingscontinuïteit te bereiken tussen de controlepunten van de stringer en de plaat met behulp van een interpolatiefunctiematrix. De gekromde stringer werd nauwkeurig gegenereerd door slechts drie controlepunten (Fig. 1). De onderzoekers gebruikten meerdere patches om complexe uitschavinggeometrieën te creëren, en formuleerden ook een methodologie om interfacevoorwaarden af te dwingen die de hogere-orde continuïteit over meerdere patches behielden. De ontwikkelde methode maakt de noodzaak overbodig om de stringer-knoopjes te laten samenvallen met de knoopjes van de plaat.

Analyse en vergelijking met standaard finite elementen methoden tonen hogere convergentiesnelheden, nauwkeurigheid en efficiëntie met IGA. Dit werk zal binnenkort beschikbaar zijn als open-source code op GitHub. Het onderzoek is gepubliceerd in het Composite Structures artikel: "Thermal buckling of curvilinearly stiffened laminated composite plates with cutouts using isogeometric analysis".