Bio-inspired design of a multi-scale stiffened panel

In aerospace structural design, recent manufacturing advancements have enabled increasingly complex stiffening layouts beyond conventional ones, expanding the design space and requiring dedicated design methodologies. In parallel, bio-inspired approaches have gained relevance, as natural systems exhibit efficient architectures shaped by evolutionary processes. Among these processes, multi-scale architectures allow interacting reinforcement levels, promoting effective stiffness redistribution and improved structural response. This thesis proposes a framework for designing multi-scale stiffened panels for instability-driven applications through a two-step procedure. A problem-oriented genetic algorithm optimises the primary stiffening layout, while a structural-to-geometric mapping generates a sub-reinforcement pattern based on the mechanical response of the primary structure. The mapping relies on anisotropic centroidal Voronoi tessellations, whose mathematical formulation allows a consistent translation of structural information into geometric features; similar patterns are common in nature and associated with mechanically efficient configurations. To ensure computational efficiency and simple integration within the procedure, structural evaluations are performed through a semi-analytical Ritz-based formulation. Although the two scales are generated sequentially, rather than through a fully coupled procedure, the framework enables the systematic development of structurally effective multi-scale configurations and can be extended to other design problems.

Nel campo della progettazione aerospaziale i recenti progressi produttivi hanno consentito lo sviluppo di irrigidimenti più complessi rispetto a quelli tradizionali, ampliando lo spazio di progetto e richiedendo strategie mirate. Parallelamente, i concetti bio-mimetici hanno acquisito importanza poiché la natura spesso presenta soluzioni efficienti esito di processi evolutivi. Tra queste, le architetture multi-scala sono caratterizzate dall’interazione tra diversi livelli di rinforzo favorendo una redistribuzione efficiente della rigidezza strutturale. Questa tesi propone un metodo, articolato in due fasi, per progettare pannelli irrigiditi multi-scala in applicazioni governate da fenomeni di instabilità. Un algoritmo genetico ad hoc ottimizza la posa dei rinforzi primari, mentre una mappatura strutturale-geometrica genera i rinforzi secondari a partire dalla risposta meccanica della struttura primaria. La mappatura impiega le tassellazioni di Voronoi centroidali anisotrope, la cui definizione matematica consente una traduzione coerente delle informazioni strutturali in caratteristiche geometriche; configurazioni simili sono osservabili in natura e associate a soluzioni meccanicamente efficienti. Per ridurre l'onere computazionale e garantire una agevole integrazione nel processo, la risposta strutturale è valutata mediante formulazione semi-analitica basata sul metodo di Ritz. Sebbene i due livelli siano generati in sequenza, e non in modo accoppiato, il metodo consente la generazione sistematica di pannelli multi-scala efficaci ed è estendibile ad altri problemi strutturali.