Parametric Design Optimization of Multiple-repair Composite Structures

The repair of composite panels is becoming more and more important as the use of composite materials for commercial aircraft is increasing, by companies such Airbus and Boeing. There are several repair techniques; among these, the repair with a metallic bolted patch is used for thick composite structures and for highly loaded composite structures, or when there is a minor damage with the need of a fast repair. The structural optimization of the repair then is becoming important as it can allow a weight reduction of the repair, keeping the same load carried by the repaired structure. The main aim of this work is to develop a numerical model of a composite panel with stringers and ribs; the damage, modelled with a rectangular shape, affects both the stringer and the skin, and it is repaired with a metallic bolted patch. The model is parametric in the geometry of the panel and of the repair, in the number of stringers and ribs, in the number of damages, in the materials and layups. A pseudo-optimization was then carried with this model, for studying the interaction between two repairs. Two configuration were analysed: configuration A, where there are two cracks on the same stringer, one is fixed and the other is moving; configuration B, where there are two cracks, one on a single stringer, one is fixed and the other is moving. For these two configurations there are three position of the moving crack that are considered; the numerical results are then compared. A similar model was then developed, with just two stringers and two ribs, with the damage in the bay. This damage is not repaired; the aim is to analyse the influence of the parameters of the panel, such as the layup and stringer dimensions, on the residual strength. For this reason, an optimization of these parameters was programmed, using genetic algorithm and using for objective function the minimization of the total weight of the structure and the minimization of the maximum Von Mises stress. The models are finite element models and they were developed using Abaqus commercial software (version 6.13); the scripts that generate the FEM model were written in Python language. With these scripts, the parameters as geometry of the panel, number of damages, loading conditions and so on are easily changeable. The optimization procedure was carried connecting the Python scripts with MATLAB software, and using the genetic algorithm already provided by the software. The future developments of this work can be an experimental validation of the model; the introduction of a damage criterion for composite material (for example the Hashin criterion); the modelling of the elaso-plastic behaviour of bolts for the simulation of load redistribution; the conclusion of the optimization process.

La riparazione di pannelli in materiale composito ha assunto sempre maggiore importanza a causa dell’aumento del loro utilizzo in ambito aeronautico, ad opera di compagnie come per esempio Airbus e Boeing. Esistono diverse tecniche di riparazione attualmente usate; tra queste, la riparazione mediante patch in metallo bullonata viene utilizzata per strutture in materiale composito spesse e molto sollecitate, oppure qualora sia necessaria una riparazione in tempi brevi di un danneggiamento di modesta entità. L’ottimizzazione strutturale della riparazione acquisisce importanza in quanto può permettere la riduzione del peso della riparazione a parità di carico sopportato dalla struttura riparata. L’obiettivo principale di questo lavoro di tesi è stato realizzare un modello di un pannello in materiale composito che presenta stringer e rib; il danneggiamento, modellato di forma rettangolare, interessa lo stringer e lo skin, ed è riparato con una piastra metallica bullonata. Il modello è parametrico nella geometria del pannello e della riparazione, nel numero dei rinforzi, nel numero di danneggiamenti, nei materiali e layup. Con questo modello parametrico è stato possibile realizzare una pseudo-ottimizzazione per studiare l’interazione di due riparazioni. In particolare si sono analizzate due diverse configurazioni di danneggiamento: configurazione A, dove vi sono due cricche, una fissa e l’altra mobile, sullo stesso stringer; configurazione B, dove vi sono due cricche ognuna su uno stringer diverso, di cui una sola è mobile. Per ognuna di queste due configurazioni si analizzano tre posizioni diverse della cricca mobile e si confrontano i risultati numerici. Successivamente è stato realizzato un modello di un pannello simile, con due stringer e due rib, che presenti il danneggiamento nella baia. Questo difetto non è riparato; l’obbiettivo infatti è analizzare l’influenza dei parametri di progettazione del pannello, quali layup e dimensione degli stringer, sulla capacità di carico residua. Per questo scopo è stata pensata un’ottimizzazione dei suddetti parametri utilizzando l’algoritmo genetico e avendo come obbiettivo la minimizzazione del peso complessivo della struttura e la minimizzazione del massimo stress di Von Mises. I modelli numerici sono agli elementi finiti (FEM) e sono stati realizzati con il software commerciale Abaqus versione 6.13; sono stati scritti degli script in linguaggio Python che generano i modelli FEM all’interno di Abaqus. Con gli script è possibile variare i parametri di progettazione quali geometria del pannello, numero di danneggiamenti, condizioni di carico e così via. L’ottimizzazione è gestita interfacciando gli script in Python con il software MATLAB, e utilizzando l’algoritmo genetico già implementato nel software. Gli sviluppi futuri di questo lavoro includono: una validazione sperimentale del modello; l’introduzione di un criterio di danneggiamento per il materiale composito (per esempio il criterio di Hashin); la modellazione del comportamento elasto-plastico dei bulloni per simulare la ridistribuzione del carico; il completamento del processo di ottimizzazione.