Probabilistic Fail-Safe Size Optimization of Aerospace Structures Under Several Sources of Uncertainty
- Autores: Clara Cid Bengoa
- Directores de la Tesis: Aitor Baldomir (codir. tes.), Santiago Hernández (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidade da Coruña ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 244
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fermín Navarrina Martínez (presid.), Pascual Martí Montrull (secret.), Mohammad Aliabadi (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Civil por la Universidad de A Coruña
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUC
- Resumen
- español
Este trabajo presenta una investigación sobre la optimización de tamaño a prueba de fallos de estructuras aeronáuticas en régimen probabilista. El objetivo es diseñar estructuras de peso mínimo teniendo en cuenta los posibles escenarios de daño, así como varias fuentes de incertidumbre. El primer tipo de incertidumbre se refiere a la presente en parámetros estructurales, que puede caracterizarse como incertidumbre aleatoria, epistémica o híbrida. El segundo tipo de incertidumbre se refiere al desconocimiento de qué colapso parcial se producirá en un evento de fallo accidental. El último tipo de incertidumbre está relacionado con la caracterización de los escombros en caso de fallo del motor, debido a la aleatoriedad en los parámetros que definen los escombros, como el número de impactos o la ubicación y el tamaño de los agujeros en el fuselaje. Se han desarrollado varias metodologías para tratar el primer tipo de incertidumbre: la optimización de diseño basada en la fiabilidad a prueba de fallos (RBDO a prueba de fallos) utilizando el método de optimización secuencial y evaluación de la fiabilidad (SORA), la optimización de diseño basada en la evidencia a prueba de fallos (EBDO a prueba de fallos) utilizando el enfoque EBDO desacoplado, y la optimización de diseño basada en la fiabilidad híbrida a prueba de fallos (HRBDO a prueba de fallos) utilizando una estrategia desacoplada de convergencia rápida que fue desarrollada por la autora para tratar las variables aleatorias y de evidencia simultáneamente. En cuanto al segundo tipo de incertidumbre, en esta investigación se proponen dos metodologías para tratar la probabilidad de ocurrencia de cada escenario de daño: el enfoque de la probabilidaddaño para la optimización de diseño a prueba de fallos (PDFSO) y la estrategia basada en el índice de fiabilidad para el enfoque de la probabilidad-daño en la optimización de diseño a prueba de fallos ( -PDFSO), donde esta última también considera la incertidumbre en los parámetros estructurales aleatorios. Se han llevado a cabo varios ejemplos de aplicación, incluyendo un panel curvo rigidizado del fuselaje de un avión y la sección trasera del fuselaje de un avión. La última contribución de esta investigación es el desarrollo de un enfoque (DamageCreator) para generar automáticamente un conjunto suficientemente amplio de posibles escenarios de daño a partir de la malla de una aeronave, debido a un evento de fallo del motor o a un despendimiento de las palas de la hélice. Los parámetros que definen los escombros, como el número de impactos, el área de impacto, los ángulos de propagación, la ubicación de los agujeros, la orientación, el tamaño y la velocidad de los escombros, pueden considerarse aleatorios o deterministas. La herramienta se aplica a una estructura de barril cilíndrico y a un conjunto fuselaje-ala correspondiente a un avión de fuselaje estrecho. Los códigos de programación de las metodologías propuestas fueron implementados íntegramente por la autora utilizando los entornos Matlab y Python, así como Abaqus y Nastran como solvers de elementos finitos.
- English
his work presents a research on the probabilistic fail-safe size optimization of aerospace structures. The goal is to design minimum weight structures taking into account possible damage scenarios, as well as several sources of uncertainty. The first type of uncertainty refers to the one present in structural parameters, which can be characterized as aleatory, epistemic or hybrid uncertainty. The second type of uncertainty pertains to the ignorance of what partial collapse will occur in an accidental failure event. The last type of uncertainty is related to debris characterization in the event of an engine failure, due to the randomness in the parameters defining the debris, such as the number of impacts or the location and size of holes in the fuselage. Several methodologies have been developed to deal with the first type of uncertainty: fail-safe Reliability-Based Design Optimization (fail-safe RBDO) using the Sequential Optimization and Reliability Assessment method (SORA), fail-safe Evidence-Based Design Optimization (fail-safe EBDO) using the decoupled EBDO approach, and fail-safe Hybrid Reliability-Based Design Optimization (fail-safe HRBDO) using a fast-convergence decoupled strategy that was developed by the author to deal with random and evidence variables simultaneously. Concerning the second type of uncertainty, two methodologies are proposed in this research to address the probability of occurrence of each damage scenario: the Probability-Damage approach for Fail-Safe Design Optimization (PDFSO) and the Reliability-Index based strategy for the Probability-Damage Approach in Fail-Safe Design Optimization ( -PDFSO) where the latter also considers aleatory uncertainty in random structural parameters. Several application examples have been carried out, including a curved stiffened panel of an aircraft fuselage and the rear section of an aircraft fuselage. The last contribution of this research is the development of a framework (DamageCreator) to automatically generate a large enough set of possible damage scenarios from an aircraft mesh, due to an uncontained engine or propeller blade failure event. The debris parameters, such as number of impacts, impact area, spread angles, hole location, debris orientation, size, and velocity, can be considered as random or deterministic. The tool is applied to a cylindrical barrel structure and to a fuselagewing assembly corresponding to a narrow-body aircraft. The programming codes of the proposed methodologies were fully implemented by the author using Matlab and Python environments, as well as Abaqus and Nastran as finite element solvers.
- galego
Este traballo presenta unha investigación sobre a optimización de tamaño a proba de fallos de estruturas aeronáuticas en réxime probabilístico. O obxectivo é deseñar estruturas de peso mínimo tendo en conta os posibles escenarios de dano, así como diversas fontes de incerteza. O primeiro tipo de incerteza refírese á presente nos parámetros estruturais, que poden caracterizarse como incerteza aleatoria, epistémica ou híbrida. O segundo tipo de incerteza refírese ao descoñecemento de que colapso parcial se producirá nun caso de fallo accidental. O último tipo de incerteza está relacionado coa caracterización dos cascallos en caso de fallo do motor, debido á aleatoriedade nos parámetros que definen os cascallos, como o número de impactos ou a localización e tamaño dos buratos da fuselaxe. Desenvolvéronse varias metodoloxías para facer fronte ao primeiro tipo de incerteza: a optimización de deseño baseada na fiabilidade a proba de fallos (RBDO a proba de fallos) empregando o método de optimización secuencial e avaliación da fiabilidade (SORA), a optimización de deseño baseada na evidencia a proba de fallos (EBDO a proba de fallos) empregando o enfoque EBDO desacoplado, e a optimizacion de deseño baseada na fiabilidade híbrida a proba de fallos (HRBDO a proba de fallos) empregando unha estratexia desacoplada de converxencia rápida que foi desenvolvida pola autora para tratar as variables aleatorias e de evidencia simultáneamente. En canto ao segundo tipo de incerteza, esta investigación propón dúas metodoloxías para tratar a probabilidade de aparición de cada escenario de dano: o enfoque da probabilidade-dano para a optimización do deseño a proba de fallos (PDFSO) e a estratexia baseada no índice de fiabilidade para o enfoque da probabilidade-dano na optimización do deseño a proba de fallos ( -PDFSO), onde este último tamén considera a incerteza nos parámetros estruturais aleatorios. Leváronse a cabo varios exemplos de aplicación, incluíndo un panel curvo rixidizado dunha fuselaxe de avión e a sección traseira dunha fuselaxe de avión. A última contribución desta investigación é o desenvolvemento dun enfoque (DamageCreator) para xerar automaticamente un conxunto suficientemente amplo de posibles escenarios de dano a partir da malla dunha aeronave, debido ao fallo do motor ou ao desprendemento das palas da hélice. Os parámetros que definen os cascallos, como o número de impactos, a área de impacto, os ángulos de propagación, a localización dos buracos, a orientación, o tamaño e a velocidade dos cascallos, poden considerarse aleatorios ou deterministas. A ferramenta aplícase a unha estrutura de barril cilíndrica e a un conxunto fuselaxe-ás correspondentes a un avión de corpo estreito. Os códigos de programación das metodoloxías propostas foron totalmente implementados pola autora empregando entornos de Matlab e Python, así como Abaqus e Nastran como solvers de elementos finitos.
- español
