Design and analysis of buckling-driven multi-stiffness panels for adaptive composite structures

Adaptive structures are one of the main future directions in the aerospace industry, driven by the need to maximize aerodynamic and structural efficiency under the influence of variable external and operational conditions. This thesis explores the use of buckling to create an adaptive panel for a simplified wing box structure. In particular, the change in stiffness induced by the evolution of the buckling shape is a resource to exploit to generate adaptability and a multi-stiffness response. The study utilizes composite materials, exploiting freedom in the orientation and number of plies, to design panels that utilize local buckling of specific zones to modify the axial stiffness. Analytical and finite element models are developed to perform numerical analyses and evaluate global and localized buckling under uniaxial compression loads on a simply supported panel. Key design variables and their relations are identified through an initial investigation and the use of response surfaces. Optimization techniques have been employed, utilizing lamination parameters, to refine the design solutions, achieving a multi-stiffness panel with nine zones and up to six different stiffnesses. The integration of the panel within the wing box highlights the possibility to develop an adaptive structure, although the magnitudes of stiffness variations are more limited compared to the single simply supported panel.

Le strutture adattative sono una delle principali direzioni future nell'industria aerospaziale, guidata dalla necessità di massimizzare l'efficienza aerodinamica e strutturale sotto l'influenza di condizioni esterne e operative variabili. Questa tesi esplora l'utilizzo dell'instabilità strutturale (buckling) per creare un pannello adattivo da inserire nella struttura semplificata di un cassone alare. In particolare, il cambiamento di rigidezza indotto dall'evoluzione della forma di buckling è una risorsa da sfruttare per generare l'adattabilità e una risposta multi-rigidezza. Lo studio utilizza i materiali compositi, utilizzando la libertà nell'orientamento e nel numero di lamine, per progettare pannelli che usano il buckling locale di specifiche zone per variare la rigidezza assiale. Sono sviluppati modelli analitici e modelli agli elementi finiti, per valutare il comportamento di instabilità locale sotto carichi di compressione uniassiale di un pannello. Le variabili di progettazione e le loro relazioni sono identificate attraverso un'indagine iniziale e l'uso delle superfici di risposta. Tecniche di ottimizzazione sono impiegate, con l'utilizzo dei parametri di laminazione, per progettare un pannello a nove zone con sei rigidezze sfruttando il campo post-critico. L'integrazione del pannello all'interno del cassone alare mette in evidenza la possibilità di sviluppare strutture adattative, anche se le ampiezze delle variazioni di rigidezza sono più limitate rispetto allo studio sul singolo pannello.