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Advantages of Composite Skin-Grid-Structures under Consideration of Invariant-Based Design Principles

  • With the discovery of Tsai‘s Modulus as a fundamental property of composite material and the newly introduced Double-Double Laminate family, new and highly efficient methods for the design of composite laminates are available. An overview of these so-called invariant-based design methods is given. Additionally, two novel approaches are proposed for the invariant-based analysis of stability and displacement of composite panels. These methods are shown to accurately predict the field of displacement and the buckling load for Double-Double type laminates independent of material and laminate thickness. Subsequently, an optimization of layup and thickness of composite panels utilizing these methods is demonstrated. A parametric finite element model is presented, allowing the efficient analysis and optimization of Skin-Grid-Structures. Many different modeling types with varying levels of detail are considered and compared. These include complete solid modeling with layered solid elements as well as combined shell / solid modeling. Additionally, pure shell modeling is considered using pre-integrated shell sections. Both by using a smeared stiffness method and by discreetly assigning stiffness properties. An overview of the theories behind these methods is given. The model is embedded into the Composite Laminate Toolbox for MATLAB, from which the APDL input file is created and executed. A mass optimization of the design parameters is performed with respect to stiffness constraints using the surrogate optimization provided by MATLAB. The optimal solutions are compared to an unstiffened aluminium plate with equivalent stiffness. By direct comparison of the required mass, the immense lightweight potential of the Skin-Grid-Structure is demonstrated.
  • Mit der Entdeckung des Tsai-Moduls als grundlegende Eigenschaft von Verbundwerkstoffen und der neu eingeführten Double-Double Laminat-Familie stehen neue und hocheffiziente Methoden für die Auslegung von Verbundlaminaten zur Verfügung. Es wird ein Überblick über diese sogenannten invarianten-basierten Entwurfsmethoden gegeben. Darüber hinaus werden zwei neuartige Ansätze für die invarianten-basierten Analyse der Stabilität und der Verschiebung von Verbundplatten vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass diese Methoden das Verschiebungsfeld und die Beullast für Double-Double Laminate unabhängig von Material und Laminatdicke genau vorhersagen können. Anschließend wird eine Optimierung des Aufbaus und der Dicke von Verbundplatten unter Verwendung dieser Methoden demonstriert. Es wird ein parametrisches Finite-Elemente-Modell vorgestellt, das die effiziente Analyse und Optimierung von Skin-Grid-Strukturen ermöglicht. Es werden viele verschiedene Modellierungsarten mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad betrachtet und verglichen. Dazu gehören sowohl die vollständige Volumenmodellierung mit geschichteten Volumenelementen als auch die kombinierte Schalen-/Volumenmodellierung. Zusätzlich wird die reine Schalenmodellierung mit vorintegrierter Schalensteifigkeit betrachtet. Sowohl durch die Verwendung einer verschmierten Steifigkeitsmethode als auch durch diskrete Zuweisung von Steifigkeitseigenschaften. Es wird ein Überblick über die Theorien hinter diesen Methoden gegeben. Das Modell ist in die Composite Laminate Toolbox für MATLAB eingebettet, mit der die APDL-Eingabedatei erstellt und ausgeführt wird. Mit Hilfe der von MATLAB bereitgestellten Surrogat-Optimierung wird eine Massenoptimierung der Konstruktionsparameter unter Berücksichtigung der Steifigkeitsbeschränkungen durchgeführt. Die optimalen Lösungen werden mit einer unversteiften Aluminiumplatte mit gleicher Steifigkeit verglichen. Durch den direkten Vergleich der benötigten Masse wird das immense Leichtbaupotenzial der Skin-Grid-Struktur aufgezeigt.

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Metadaten
Author:Moritz Frey
URN:urn:nbn:de:bvb:m347-opus-4459
Publisher:Hochschule für Angewandte Wissenschaften München
Place of publication:München
Advisor:Klemens Rother, Josef Neuhäusler, Aniello Riccio, Francesco Di Caprio
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2023/01/11
Year of first Publication:2022
Publishing Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Granting Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Release Date:2023/01/11
GND Keyword:VerbundwerkstoffGND; Belastung <Mechanik>GND
Page Number:VII, 93
Departments and Institutes:Fakultäten der Hochschule München / FK 03 Fakultät für Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik
Illustrations:Illustration/en
Illustrations:grafische Darstellung/en
Licence (German):Creative Commons - CC BY-SA - Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
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