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Main Title: Contribution to load alleviation in aircraft pre-design and its influence on structural mass and fatigue
Translated Title: Beitrag zur Lastabminderung im Flugzeugvorentwurf und deren Einfluss auf die Strukturmasse und -ermüdung
Author(s): Handojo, Vega
Advisor(s): Luckner, Robert
Referee(s): Luckner, Robert
Krüger, Wolf-Reiner
Klimmek, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis develops and demonstrates an aircraft pre-design process for loads analysis, load alleviation, structural optimization and fatigue analysis. It is shown that the consideration of maneuver and gust load alleviation in early design stages is a promising concept to reduce wing bending moments, structural mass and extend the fatigue life. The reference aircraft considered are two mid-range configurations: one with a backward and another one with a forward swept wing, respectively. In the loads analysis, quasi-steady maneuvers and dynamic 1-cos gusts are considered. For the load alleviation during maneuvers, the ailerons are deflected symmetrically with precalculated amplitudes. For the gust load alleviation, a feed-forward, proportional control algorithm is set up and the main input for the controller is the gust angle of attack. Analogous to maneuver load alleviation, the ailerons are deflected symmetrically. With the post-processed loads from the simulations, the structure of the wing and horizontal tailplane (HTP) is optimized toward mass minimization. The constraints considered are material strength, buckling stability and static aeroelastic requirements. The steps loads analysis and structure optimization of the developed design process are conducted iteratively until the wing box mass converges. For the reference aircraft, the load alleviation yields a reduction of wing box mass by 2.8% and 6.1%, respectively. Beyond that, a qualitative fatigue analysis is carried out to compare the fatigue behaviors of the active and passive aircraft (with and without load alleviation). In this step, loads due to continuous turbulence and ground-air-ground cycles are considered. For the reference missions, the fatigue life of the active aircraft is improved by 28% and 12% respectively, on top of the mass benefit. However, these numbers of fatigue life improvement are only valid for the considered loads and selected positions. If more loading conditions or structure elements are taken into account, the fatigue benefit may vary. As a conclusion, the proposed process can serve to gain an insight into the benefits of load alleviation for a given aircraft in the pre-design phase, before it advances to the next design stage.
In dieser Arbeit wird ein Prozess zur Lastanalyse, Lastabminderung, Strukturoptimierung und Ermüdungsanalyse im Flugzeugvorentwurf entwickelt und demonstriert. Dabei wird gezeigt, dass bei Berücksichtigung von Manöver- und Böenlastabminderung in den frühen Phasen des Flugzeugentwurfs die Biegemomente am Flügel und die Strukturmasse reduziert, und die Lebensdauer der Struktur verlängert werden kann. Die für die Untersuchung verwendeten Referenzflugzeuge sind zwei Mittelstreckenkonfigurationen, jeweils eine mit einem rückwärts und eine mit einem vorwärts gepfeilten Flügel. In der Lastanalyse werden quasistatische Manöver und dynamische 1-cos-Böen berücksichtigt. Die Lastabminderung bei Manövern geschieht durch symmetrisch ausgeschlagene Querruder. Für die Böenlastabminderung wird ein proportionaler Vorsteueralgorithmus entwickelt, dabei stellt der Böenanstellwinkel die Eingangsgröße für die Vorsteuerung dar. Analog zur Manöverlastabminderung werden hierbei die Querruder symmetrisch ausgeschlagen. Mit ausgewählten Lasten aus der Lastanalyse wird die Struktur des Flügels und des Höhenleitwerks hinsichtlich minimaler Strukturmasse optimiert. Die in der Strukturoptimierung berücksichtigten Randbedingungen sind Zugfestigkeit des Materials, Beulstabilität und statische aeroelastische Anforderungen. Die Lastanalyse und Strukturoptimierung im entwickelten Entwurfsprozess wird iterativ durchgeführt, bis die Flügelmasse konvergiert. Bei den Referenzflugzeugen ergeben sich Masseneinsparungen für den Flügelkasten von jeweils 2,8% bzw. 6,1%. Darüber hinaus wird eine Ermüdungsanalyse durchgeführt, um das Ermüdungsverhalten der aktiven und passiven Flugzeuge (mit und ohne Lastabminderung) zu vergleichen. Dabei werden Lasten aufgrund von kontinuierlicher Turbulenz und von Boden-Luft-Boden-Zyklen berücksichtigt. Für die ausgewählten Referenzmissionen erhöht sich die Lebensdauer der Flugzeuge mit aktiver Lastabminderung jeweils um 28% bzw. 12%, zusätzlich zu der Masseneinsparung. Die Werte gelten jedoch nur für die berücksichtigten Lastkonditionen und Positionen. Falls weitere Lastszenarien oder Strukturelemente berücksichtigt werden, kann die Erhöhung der Lebensdauer variieren. Insgesamt ermöglicht der entwickelte Vorentwurfsprozess, den Nutzen der Lastabminderung bei einem gegebenen Flugzeug zu berücksichtigen, bevor dieses in die nächste Entwurfsphase voranschreitet.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12111
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10986
Exam Date: 4-Sep-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 10-Dec-2020
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): load alleviation
loads analysis
structural optimization
fatigue analysis
aircraft pre-design
feed-forward control
Lastabminderung
Lastanalyse
Strukturoptimierung
Ermüdungsanalyse
Flugzeugvorentwurf
Vorsteuerung
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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