Probabilistic Fail-Safe Size Optimization of Aerospace Structures Under Several Sources of Uncertainty
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http://hdl.handle.net/2183/29854
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Coleccións
- Teses de doutoramento [2122]
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Probabilistic Fail-Safe Size Optimization of Aerospace Structures Under Several Sources of UncertaintyAutor(es)
Director(es)
Baldomir, AitorHernández, Santiago
Data
2021Resumo
[Abstract]
This 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. [Resumen]
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. [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.
Palabras chave
Aeronaves-Diseño y construcción
Aeronaves-Seguridad-Medidas
Aeronaves-Seguridad-Medidas
Descrición
Programa Oficial de Doutoramento en Enxeñaría Civil . 5011V01
Dereitos
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional