Probabilistic Fail-Safe Size Optimization of Aerospace Structures Under Several Sources of Uncertainty

Resumo

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.