Development of novel and efficient experimental arrangements for the validation of numerical simulations of large-scale aircraft structures

Abstract

The challenges of experimentally evaluating fuselage structures are addressed in this work by employing and extending the building block approach; a hierarchical methodology progressing from coupons to structural details, subcomponents and finally full-scale components. Experimental campaigns that are performed on full-scale aircraft systems are shown to demand high costs, time and resources and are fraught with risks associated with the required facilities, equipment and instrumentation. The issues that accompany these tests can be mitigated by replacing full-scale aircraft components, such as a fuselage barrel, with representative sections, such as stiffened panels, while preserving key structural features. A digitally assisted design framework of test rig concepts is developed, to define, through finite element simulations appropriate boundary conditions and loading schemes. Novel, cost- and time-efficient experimental installations are designed, manufactured, and validated by carrying out static, buckling, and fatigue tests on sub-scale and full-scale fuselage panels. A comprehensive array of correlation studies is performed between experimental data and numerical predictions to demonstrate that panel-level testing can reliably reproduce critical aspects of fuselage barrel behaviour. The structural response, including buckling, of stiffened panels is assessed when subjected to complex loading combinations. Emphasis is also placed on the investigation of fatigue damage and crack growth that is propagated in a full-scale fuselage panel under variable-amplitude loading, representative of flight conditions. The design and numerical validation methodology that is proposed offers an effective and flexible alternative to full-scale aircraft component testing, focusing on the fuselage barrel case, enabling reliable structural characterization with reduced risk, cost, and development time.

Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι προκλήσεις που παρουσιάζει η πειραματική αξιολόγηση των δομών της ατράκτου, μέσω της εφαρμογής και της επέκτασης της προσέγγισης των δομικών στοιχείων; η οποία ορίζεται ως η ιεραρχική ταξινόμηση πειραμάτων από δοκιμαστικά δείγματα σε δομικές λεπτομέρειες, υποσυστήματα και, τέλος, εξαρτήματα πραγματικών διαστάσεων. Προκύπτει ότι οι πειραματικές δοκιμές που διεξάγονται σε εξαρτήματα αεροσκαφών πραγματικών διαστάσεων απαιτούν υψηλό κόστος, χρόνο και πόρους, ενώ ενέχουν κινδύνους που συνδέονται με τις απαιτούμενες εγκαταστάσεις, τον εξοπλισμό και τα όργανα μέτρησης. Τα προβλήματα που συνοδεύουν αυτές τις δοκιμές μπορούν να μετριαστούν αντικαθιστώντας τμήματα αεροσκάφους πραγματικών διαστάσεων, όπως τον κύλινδρο της ατράκτου, με αντιπροσωπευτικά τμήματα, όπως ενισχυμένα κυρτά κελύφη, διατηρώντας παράλληλα τα βασικά δομικά χαρακτηριστικά. Αναπτύσσεται ένα πλαίσιο σχεδιασμού πειραματικών συστημάτων με τη βοήθεια ψηφιακών μέσων, με σκοπό τον προσδιορισμό, μέσω προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων, των κατάλληλων οριακών συνθηκών και των μεθόδων εισαγωγής φορτίων. Σχεδιάζονται, κατασκευάζονται και επικυρώνονται καινοτόμες, οικονομικές και ευέλικτες πειραματικές εγκαταστάσεις, μέσω της διεξαγωγής δοκιμών στατικής αντοχής, λυγισμού και κόπωσης σε κελύφη ατράκτου υπό-κλίμακας και πραγματικής κλίμακας. Κατόπιν πραγματοποιείται συστηματική συσχέτιση μεταξύ των πειραματικών και των αριθμητικών δεδομένων. Οι δοκιμές σε επίπεδο κελύφους αναδεικνύονται ως ικανές να αναπαράγουν με αξιοπιστία την δομική απόκριση του κυλίνδρου της ατράκτου όταν υποβάλλεται σε σύνθετους συνδυασμούς φορτίων. Εξετάζεται επίσης η διάδοση ρωγμών σε κέλυφος ατράκτου πραγματικών διαστάσεων υπό φορτίο μεταβλητού πλάτους, το οποίο είναι αντιπροσωπευτικό των συνθηκών πτήσης. Η προτεινόμενη μεθοδολογία σχεδιασμού και αριθμητικής προσομοίωσης προσφέρει μια αποτελεσματική και ευέλικτη εναλλακτική λύση έναντι των πειραμάτων σε σύνθετα συστήματα αεροσκαφών, με έμφαση στην περίπτωση του κυλινδρικού τμήματος της ατράκτου, επιτρέποντας τον αξιόπιστο δομικό χαρακτηρισμό τους με μειωμένο κίνδυνο, κόστος και χρόνο ανάπτυξης.