In this study, the reliablility based design optimization is peformed for an aircraft wing. The flexiblility of the wing was assumed by considering the interaction modeled by static aeroelasticity between aerodynamic forces and the structure. For a multidisciplinary design optimization the results of aerodynamic analysis and structural analysis were included in the optimization formulation. The First Order Reliability Method(FORM) was employed to consider the uncertainty of the designed points.
In the present study, conceptual design of the main wing for 20 seats WIG{wing in Ground Effect) flight vehicle, which will be a high speed maritime transportation system for the next generation, was performed. The high stiffness and strength Carbon-Epoxy material was used for the major structure and the skin-spar with a foam sandwich structural type was adopted for improvement of lightness and structural stability. As a design procedure for this study, firstly the design load was estimated with maximum flight load, and then flanges of the front and the rear spar from major bending load and the skin structure and the webs of the spars were preliminarily sized using the netting rules and the rule of mixture. In order to investigate the structural safety and stability, stress analysis was performed by Finite Element Codes such as NASTRAN/PA TRAN[6] and NISA II [7]. From the stress analysis results, it was confirmed that the upper skin structure between the front spar and rear spar was very unstable for the buckling. Therefore in order to solve this problem, a middle spar and the foam sandwich structure at the upper skin and the web were added. After design modification, even thought the designed wing weight was a little bit heavier than the target wing weight, the structural safety and stability of the final design feature was confirmed. Moreover, in order to fix the wing structure at the fuselage, the insert bolt type structure with six high strength bolts was adopted for easy assembly and removal.
Dwarakanathan, D.;Ramkumar, R.;Raja, S.;Rao, P. Siva Subba
Advances in aircraft and spacecraft science
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제2권3호
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pp.303-328
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2015
A design methodology is presented to develop the hingeless control surfaces for MAV using adhesively bonded Macro Fiber Composite (MFC) actuators. These actuators have got the capability to deflect the trailing edge surfaces of the wing to attain the required maneuverability, besides achieving the set aerodynamic trim condition. A scheme involving design, analysis, fabrication and testing procedure has been adopted to realize the trailing edge morphing mechanism. The stiffness distribution of the composite MAV wing is tailored such that the induced deflection by piezoelectric actuation is approximately optimized. Through ground testing, the proposed concept has been demonstrated on a typical MAV structure. Electromechanical analysis is performed to evaluate the actuator performance and subsequently aeroelastic and 2D CFD analyses are carried out to see the functional requirements of wing trailing edge surfaces to behave as elevons. Efforts have been made to obtain the performance comparison of conventional control surfaces (elevons) with morphing wing trailing edge surfaces. A significant improvement in lift to drag ratio is noticed with morphed wing configuration in comparison to conventional wing. Further, it has been shown that the morphed wing trailing edge surfaces can be deployed as elevons for aerodynamic trim applications.
The pivoting composite wing is developed for the kit to be mounted on the external stores. The wing has a pivoting structure for the installation to an aircraft and high aspect ratio to increase lift drag ratio. The wing needs to be light and have sufficient strength and stiffness to satisfy structural design requirements. The wing is designed with carbon fiber composite and the structural parts are integrated to reduce cost to manufacture. In order to verify the structural performances, the design load analysis and flight load survey, the static analysis and test, the ground vibration test and flutter analysis are performed. It is shown that the wing has sufficient structural strength and stiffness to satisfy the structural design requirements.
In the Smart UAV Development Program, one of the 21c Frontier R&D Program, the tiltrotor has been studied as the concept of vehicle. The tiltrortor aircraft take-off and land in rotary wing mode like conventional helicopter, and cruise in fixed wing mode like conventional propeller airplane. For the conversion of the flight mode from helicopter to airplane, the nacelle located at wing tip has to be tilted from about 90 degrees of helicopter mode to about 0 degree of airplane mode. In this study, the aerodynamic characteristics of the wing with tilted nacelle is investigated using computation fluid dynamics technique. In order to feature out aerodynamic interferences between wing and nacelle, the flow calculations are conducted for the wing and the nacelle separately and for the combined geometry of wing and nacelle, respectively. Through this computations, not only the aerodynamic data-base for the wing-nacelle is constructed but also its contribution to the configuration design of the wing-nacelle is anticipated.
International Journal of Aerospace System Engineering
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제10권1호
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pp.1-13
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2023
The present study was attempted to investigate flow interference effects and the aerodynamic characteristics of the front and rear wings of a joined-wing aircraft by changing the configuration variables. The study was performed using a computational fluid dynamics(CFD) tool to demonstrate forward flight and analyze aerodynamic characteristics. A total of 9 configurations were analyzed with variations on the position, height, dihedral angle, incidence angle, twist angle, sweepback angle, and wing area ratio of the front and rear wings while the fuselage was fixed. The quantities of aerodynamic coefficients were confirmed in accordance with joined-wing configurations. The closer the front and rear wings were located, the greater the flow interference effects tended. Interestingly, the rear wing did not any configuration change, the lift coefficient of the rear wing was decreased when adjusted to increase the incidence angle of the front wing. The phenomenon was appeared due to an effective angle of attack alteration of the rear wing resulting from the flow interference by the front wing configurations.
High Altitude and Long Endurance (HALE) aircraft are capable of providing intelligence, surveillance and reconnaissance (ISR) capabilities over vast geographic areas when equipped with advanced sensor packages. As their use becomes more widespread, the demand for additional range, endurance and payload capability will increase and designers are exploring non-conventional configurations to meet the increasing demands. One such configuration is the joined-wing concept. A joined-wing aircraft is one that typically connects a front and aft wings in a diamond shaped planform. One such example is the Boeing SensorCraft configuration. While the joined-wing configuration offers potential benefits regarding aerodynamic efficiency, structural weight, and sensing capabilities, structural design requires careful consideration of elastic buckling resulting from the aft wing supporting, in compression, part of the forward wing structural loading. It has been shown already that this is a nonlinear phenomenon, involving geometric nonlinearities and follower forces that tend to flatten the entire configuration, leading to structural overload due to the loss of the aft wing's ability to support the forward wing load. Severe gusts are likely to be the critical design condition, with flight control system interaction in the form of Gust Load Alleviation (GLA) playing a key role in minimizing the structural loads. The University of Victoria Center for Aerospace Research (UVic-CfAR) has built a 3-meter span scaled and flexible wing UAV based on the Boeing SensorCraft design. The goal is to validate the nonlinear structural behavior in flight. The main objective of this research work is to perform Ground Vibration Tests (GVT) to characterize the dynamic properties of the scaled flight vehicle. Results from the experimental tests are used to characterize the modal dynamics of the aircraft, and to validate the numerical models. The GVT results are an important step towards a safe flight test program.
본 연구에서는 고고도 장기 체공 항공기 날개의 스팬과 주날개보의 형상을 설계변수로 동시에 고려하는 공력-구조 동시 설계를 수행하였다. 이 때 공기역학적 성능 최대화와 중량 최소화를 한 번에 수행하기 위해 다목적 최적화를 이용하였다. 설계 대상이 된 날개는 구조적 대변형이 발생되므로 전산유체역학과 유한요소법을 이용하여 비선형 정적 공탄성 해석을 수행하였다. 설계를 위한 해석에 요구되는 계산 비용을 감소시키기 위해 반응면을 구성하였으며 이를 위해 실험계획법이 이용되었다. 또한 본 연구에서는 대변형이 발생되지 않은 형상과 대변형이 발생한 형상의 공력 성능을 비교하여 대변형이 발생하는 경우 설계를 위해 반드시 변형이 고려되어야 함을 검증하였다.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제10권1호
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pp.14-19
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2009
The typical aeroelastic analysis for a complex configuration such as a complete aircraft was done using the aerodynamic results of the wing and the structural modes of a complete aircraft; that is, the aerodynamics of a wing of a complete aircraft is assumed to be not much influenced by the body shape. Nevertheless, the body shape can cause a distortion of aerodynamic pressure on the wing surface and it is necessary to investigate the body effect in flutter analysis. In this reseasrch, MGM inverse design method is applied to include the body effect of a wing-body model which disturbs the pressure distribution on the wing surface.
An energy-based variational approach is used for structural dynamic modeling of the IPMC (Ionic Polymer Metal Composites) flapping wing. Dynamic characteristics of the wing are analyzed using numerical simulations. Starting with the initial design, critical parameters which have influence on the performance of the wing are identified through parametric studies. An optimization study is performed to obtain improved flapping actuation of the IPMC wing. It is shown that the optimization algorithm leads to a flapping wing with dimensions similar to the dragonfly Aeshna Multicolor wing. An unsteady aerodynamic model based on modified strip theory is used to obtain the aerodynamic forces. It is found that the IPMC wing generates sufficient lift to support its own weight and carry a small payload. It is therefore a potential candidate for flapping wing of micro air vehicles.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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