New concept of multidisciplinary optimization for weight saving and stiffness improvement of a morphing variable span of tapered wing MVSTW - application to the UAS-S4

Elelwi, Mohamed (2022). New concept of multidisciplinary optimization for weight saving and stiffness improvement of a morphing variable span of tapered wing MVSTW - application to the UAS-S4. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis presents a new approach of multidisciplinary numerical optimization used to develop a lightweight morphing wing based on data from an Unmanned Aerial System (UASS4). The optimal design for the UAS-S4 wing was determined, in order to achieve a high level of performance. The computation and selection of appropriate manufacturing materials were also considered. The methodology, design tools, and results were obtained via ComputerAided Design (CAD), Computer Aided Engineering (CAE), and MATLAB software. The first phase included a design and development comparative study of a Morphing Variable Span of the Tapered Wing (MVSTW) for an Unmanned Aerial System UAS-S4. The main objective was to analyze, and to compare the wing aerodynamic properties for various span lengths and sweep angles, and to determine its most efficient geometric design. This design can be employed for aircraft roll motion control instead of its conventional control mechanism, and is more sensitive to changes in the angle of its inner section influencing the aerodynamic characteristics. The second phase presented the topology optimization and evaluated the feasibility of internal wing components. Topology optimization was performed to place the wing components within its fixed and moving segments done in aluminum alloy 2024-T3. According to research findings, the fixed and moving segments should be designed with two spar and seven ribs configurations with their support components in the high-strain region. The third phase discusses the integration of structural sizing, topology, and aerodynamic optimization for MVSTW with the objective of reducing its weight. The optimization techniques considered the aerodynamic load distribution along the wingspan at its full wingspan extension and maximum speed. The wing components were optimized for size and topology optimization, and were designed using aluminum alloy 2024-T3. Weight savings of up to 51.2% and 55.7% were obtained for the fixed and moving wing sections, respectively, according to the optimization results. The fourth phase is a continuation of earlier phases performed for the multidisciplinary numerical optimization for the of MVSTW design to minimize its weight using composite materials. By integrating simultaneous material, structural size, and topological optimizations according to aerodynamic analyses, a computational environment for multidisciplinary optimization was considered to determine if morphing wings optimization was feasible. The MVSTW weight could be significantly decreased by using of the multidisciplinary numerical optimization methods.

Titre traduit

Nouveau concept d'optimisation multidisciplinaire pour l'économie de poids et l'augmentation de la rigidité d'une aile à envergure variable - Application à UAS-S4

Résumé traduit

Cette thèse présente une nouvelle approche sophistiquée d'utilisation de l'optimisation numérique multidisciplinaire pour développer une aile légère déformable basée sur les données d'un système aérien sans pilote (UAS-S4). La conception optimale de l'aile de l'UAS-S4 pour atteindre un haut niveau de performance. Le calcul et la sélection des matériaux de fabrication appropriés ont été également prises en compte. La méthodologie, les outils de conception et les résultats ont été obtenus via la conception assistée par ordinateur (CAO), l'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) et le logiciel MATLAB. Dans la première, phase comprenait une étude comparative de conception et de développement d'une aile déformable à envergure variable de morphing de l'aile conique (MVSTW) pour un système aérien sans pilote (UASS4) a été présenter. L'objectif principal était d'analyser et de comparer les propriétés aérodynamiques des ailes de différentes longueurs d'envergure et angles de balayage et de déterminer leurs plus conceptions géométriques efficaces. Cette conception peut être utilisée pour le contrôle du mouvement de roulis d'un avion au lieu de mécanismes de contrôle conventionnels et elle est plus sensible aux changements d'angle de la section intérieure, qui influencent les caractéristiques aérodynamiques. La deuxième phase a présentée l'optimisation de la topologie et évaluée la faisabilité des composants internes de l'aile. L'optimisation de la topologie a été effectuée pour placer les composants de l'aile dans ses segments fixes et mobiles en utilisant l'alliage d'aluminium 2024-T3. Selon les résultats de la recherche, les segments d'aile fixes et mobiles devraient être conçus pour des configurations à deux longerons et sept nervures en utilisant des composants de support dans la région à forte contrainte. La troisième phase traite de l'intégration du dimensionnement structurel, de la topologie et de l'optimisation aérodynamique pour une MVSTW dans le but de réduire son poids. Les techniques d'optimisation ont pris en compte la répartition de la charge aérodynamique le long de l'envergure dans sa pleine extension et à vitesse maximale. Les composants de l'aile ont été optimisés en termes de taille et de topologie et ont été conçus à partir de l'alliage d'aluminium 2024-T3. Des économies de poids allant jusqu'à 51,2 % et 55,7 % ont été obtenues pour les sections d'aile fixe et mobile, respectivement, selon les résultats de l'optimisation. La quatrième phase est une continuation des phases précédentes effectuées sur l'optimisation numérique multidisciplinaire pour la conception d'une MVSTW pour minimiser son poids en utilisant des matériaux composites. En intégrant l'optimisation simultanée de la sélection des matériaux, l'optimisation de la taille structurelle et l'optimisation topologique selon les analyses aérodynamiques, un environnement informatique pour l'optimisation multidisciplinaire a été considéré pour déterminer si l'optimisation des ailes de déformables était faisable. Le poids du MVSTW pourrait être considérablement réduit en utilisant les résultats de l'optimisation.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 345-361).
Mots-clés libres:	analyses aérodynamiques, performances aérodynamiques, corde à la racine de l'aile, accord de pointe, aile déformable à envergure fuselée variable (MVSTW), UAV, mécanisme télescopique, optimisation de la taille et de la topologie par l'analyse d'éléments finis, solveur OptiStruct, SoildThinking, MATLAB
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Codirecteur:	Codirecteur Dao, Thien-My
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 oct. 2022 13:02
Dernière modification:	24 oct. 2022 13:02
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3093

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