Detailed and condensed finite element models for dynamic analysis of a business jet aircraft

The current design philosophy for aerospace structures starts to become too conservative and old, mainly after the introduction of more efficient materials and advanced analysis tools. Therefore, the European Project DAEDALOS aims at providing new challenging design methods for structural weight saving and reducing emissions for civil aircraft. The purpose of this thesis, placed within this project, is to provide a reference basis of critical sizing loads due to atmospheric turbulence (Discrete Gust Criterion only), following the current design procedures, in order to evaluate new design techniques. The activity is focused on the generation of structural numerical models and the definition of gust loading conditions. The detailed FEM models of a generic aircraft’s empennages (business jet) are generated and used for the reduction process; to pursue this aim, a methodology of extracting equivalent beam’s stiffness and mass parameters is developed and verified with simple beam models. Afterwards, the reduction method is applied to the empennages, generating their stick models. Next to the current design philosophy an alternative solution is presented, called Upgraded Design Philosophy; although it is not a new method, it could be a basis for future developments. It consists in performing dynamic analyses directly on detailed or hybrid FEM models. Finally, the two design approaches presented are applied to the generic aircraft and compared in term of dynamic response and level of stress on structural components. The results show the validity of the proposed alternative design procedure.

L’attuale filosofia di progetto per le strutture aeronautiche inizia a divenire troppo conservativa, soprattutto dopo l’introduzione di materiali più efficienti e avanzati strumenti di analisi. Per questo motivo il Progetto Europeo DAEDALOS si prefigge lo scopo di sviluppare nuovi competitivi metodi di progetto per la riduzione di peso strutturale, che potrebbe portare anche alla riduzione di emissioni degli aeroplani civili. L’obiettivo di questo lavoro di tesi, situata all’interno di questo progetto, è di determinare una base comparativa per quanto concerne i carichi dimensionanti dovuti alla turbolenza atmosferica (per il solo modello Discrete Gust Criterion), seguendo le tecniche di progetto correnti, al fine di valutare nuove metodologie. L’attività è focalizzata sulla generazione di modelli numerici strutturali e la definizione delle condizioni di carico dovute alla raffica atmosferica. I modelli ad elementi finiti degli impennaggi di un aereo civile (business jet) vengono definiti e utilizzati nel processo di riduzione; a questo scopo viene proposta una metodologia per ottenere le caratteristiche di rigidezza e massa equivalenti di un modello a trave e verificata con dei semplici modelli di trave. Successivamente il metodo di riduzione viene applicato agli impennaggi, generandone così i modelli a travi. Accanto alla filosofia di progetto attuale viene illustrata una soluzione alternativa, definita Upgraded Design Philosphy; non si tratta di un nuovo metodo, ma può essere la base per futuri sviluppi. Essa consiste nel condurre le analisi dinamiche direttamente su modelli strutturali ad elementi finiti di dettaglio o ibridi. Infine, le due procedure di progetto presentate sono applicate ai modelli del velivolo e confrontate in termini di risposta dinamica e livello di sforzo su componenti strutturali. I risultati hanno mostrato la validità della filosofia di progetto alternativa.