Design, defect prediction and optimization of variable stiffness panels manufactured by advanced fiber placement

The increasing demand for lightweight and and high performance aerospace structures has driven the widespread adoption of Carbon Fiber Reinforced Polymers and Advanced Fiber Placement technologies. Among the most promising developments in this field are Variable-Stiffness Panels (VSP), in which fiber orientations vary spatially to tailor structural response and enhance load carrying capability. This thesis presents a comprehensive framework for the design, modeling, and optimization of Variable Angle Tow (VAT) laminates manufactured through the shifted-course AFP method, the most commonly used in the aerospace industry. Particular emphasis is placed on the geometric origin and structural implications of manufacturing induced defects, namely gaps and overlaps, which inevitably arise from the fiber steering practice. A numerical algorithm is developed to predict defect patterns prior to fabrication, generating a three-dimensional defect mask capable of describing gap, nominal, and overlap regions for each ply independently. The proposed framework integrates manufacturing constraints, as well as shift logic, and tow-drop capabilities—into the laminate definition process. Multiple strategies for incorporating defects into finite element models are investigated, enabling accurate pre-buckling and buckling analyses of spatially varying laminates. Finally, a tailored Genetic Algorithm is implemented to optimize guiding fiber angles with respect to buckling performance. The optimization procedure demonstrates the potential of VAT laminates to outperform traditional constant-stiffness configurations, while accounting for realistic manufacturing limitations. The developed methodology provides a unified design tool in which structural performance, manufacturability, and defect prediction are treated as interconnected aspects of the AFP design chain.

La crescente richiesta di strutture aerospaziali leggere e ad alte prestazioni ha favorito il rapido sviluppo dei materiali compositi in fibra di carbonio (CFRP) e delle tecnologie di Advanced Fiber Placement (AFP). Tra gli sviluppi più promettenti in questo ambito figurano i pannelli a rigidezza variabile (VSP), nei quali l’orientamento delle fibre varia spazialmente al fine di modulare la risposta strutturale e migliorare la capacità portante. Questa tesi presenta uno strumento per la progettazione, modellazione e ottimizzazione di laminati VAT realizzati mediante la tecnologia AFP; si considera la tecnica di deposizione a strisce traslate, il più comunemente impiegato nell’industria aerospaziale. Particolare attenzione è rivolta all’origine geometrica e alle implicazioni strutturali dei difetti indotti dal processo produttivo, ovvero gap e overlap, che inevitabilmente si generano durante la pratica di sterzatura delle fibre. Viene sviluppato un algoritmo numerico per prevedere la distribuzione dei difetti prima della fabbricazione, generando una maschera tridimensionale dei difetti in grado di descrivere, per ciascuna lamina in modo indipendente, le regioni di gap, nominali e di overlap. Il framework proposto integra molteplici vincoli di produzione, logiche di spaziatura tra le strisce, capacità manufatturiere come quella del tow-drop. Sono inoltre investigate diverse strategie per l’inclusione dei difetti nei modelli ad elementi finiti, consentendo analisi accurate in regime di pre-buckling e buckling per laminati a rigidezza variabile. Infine viene implementato un Algoritmo Genetico appositamente sviluppato per ottimizzare gli angoli guida delle fibre rispetto alla temperatura di buckling in seguito ad un'analisi termoelastica. La procedura di ottimizzazione dimostra il potenziale dei laminati VAT nel superare le configurazioni tradizionali a rigidezza costante, tenendo conto al contempo di realistiche limitazioni di produzione. La metodologia sviluppata fornisce uno strumento di progettazione integrato, nel quale prestazioni strutturali, producibilità e previsione dei difetti sono trattate come aspetti interconnessi della catena di progettazione AFP.