Rapid sizing of composite fuselage considering manufacturability constraints

The internship is a contribution to the improvement of AIRBUS Processes, Methods \& Tools. AIRBUS developed a new tool PRESTO (which stands for "PRE-sizing Solution for Trade-Offs") for rapid sizing of airframe structures and its link to weight derivation. Compared with another sizing tool, PRESTO is more dedicated to the early phases. It is based on sizing knowledge to account for manufacturing constraints. PRESTO principles with the satellite process/core process and its position in the aircraft development is presented. The main objectives of PRESTO is to perform structural pre sizing at early aircraft development milestones, to allow large component sizing, configuration studies, material selection, architecture trade-offs, and sensitivity studies and to provide the structural input for early weight reliable estimation in acceptable time to evaluate trades for full aircraft. It allows the engineers to be more reactive and then to concentrate on upper level structure and multidisciplinary trade studies (choice of materials, choice of stringer profiles \dots). It is linked to parametric tool like FEMIX to be able to support geometry /topology trades like change of fuselage section or number of frames. A contribution to BUMPS of the TP-MDAACE (Multi-Disciplinary Aircraft Architecture Convergence Enhancement) is explained and a focus is put on structure optimization and manufacturing constraints on a fuselage barrel structure. Multidisciplinary collaborative plateaux are a key point in the fast and first-right development of airframes. Rapid sizing process chaining is extended between geometry variation, load calculations, global finite element model generation, assembly and loading, rapid sizing (PRESTO), manufacturing post-processing and weight derivation. In the mindset of this process and new tool validations, composite A350 fuselage trade and then metallic A30X fuselage one are made. Barrel 1B was built for A350-900 new concept tests as a semi-global structural test. More trades on barrel are studied with a critical analysis with respect to optimized choices and manufacturability. PRESTO is quite close to detailed sizing because we optimize directly stringer profiles and stacking sequence catalogs for skin. A process is proposed made of a list of trade studies. Methodologies are also proposed to ensure the continuity of stacking sequences (blending) and to evaluate the quality of stacking sequences (scoring) also considering the shape of plies and their ease of manufacturing. Results: Structure activities with investigation of best structural choices while taking into account manufacturing constraints lead to a difficult decision to take. It depends on the performance indicator we want to prioritize. If manufacturability that is to say recurring costs and production rate have to be favored, probably Trade 8 is the best one (after some smoothing of thicknesses as aforementioned). But if the weight is the major objective (e.g. in case of non-reached weight targets), then the aircraft manufacturer will favor solution more difficult to manufacture, but lighter like Trade 9, that allows to reduce 15 Kg. The aim of the internship was at prototyping an optimization process in order to perform rapid sizing on a given configuration. There were two levels and two kinds of activities: multidisciplinary activities and the structure ones. The integration of rapid sizing solution in multidisciplinary early design processes is a success and will guarantee quicker airframe development for future AIRBUS programs. Conclusion at structure level, lies in the possibility to efficiently score the manufacturability with strength constraints, giving the possibility to trade in a semi-automated way the weight and manufacturability performances. This will allow for future AIRBUS programs to consider manufacturability (and associated recurrent costs and production rate) as a criterion of the tools used to optimize the airframe.

La tesi é stata svolta come stage all'interno di Airbus, in particolare all'interno del gruppo che contribuisce allo sviluppo dei processi, metodi e programmi di Airbus. Airbus ha sviluppato un nuovo programma, PRESTO (\emph{PRE sizing Solution for structural Trade-Offs}), per un dimensionamento iniziale dell'aereo e una prima stima approssimativa della massa. Se comparato ad altri programmi di dimensionamento, PRESTO é il più adatto alle prime fasi di sviluppo di un aereo essendo basato sulla conoscenza del dimensionamento per tenere conto dei vincoli di produzione. L'obiettivo principale di PRESTO é quello di permettere un pre-dimensionamento della struttura, per poi autorizzare un dimensionamento degli elementi maggiori della cellula, lo studio delle differenti configurazioni (topologia e/o geometria), la scelta del materiale e i principi costruttivi (tipo di rinforzo/fabbricazione). Ottenere dati velocemente porta a una prima stima della massa per valutare i differenti studi effettuati sull'aereo completo e permette all'ingegnere di essere il più reattivo possibile concentrandosi sui parametri di concezione di più alto livello ed effettuando studi multidisciplinari (scelta del materiale, dei profili \dots). PRESTO é legato a FEMIX, un programma per la creazione di modelli parametrici di un struttura caricata, per essere in grado di effettuare analisi sul cambiamento di geometria/topologia come la sezione di fusoliera o il numero di correnti . Una contribuzione al BUMPS (piattaforme multidisciplinari) del TP-MDAACE (Multi-Disciplinary Aircraft Architecture Convergence Enhancement) verrà spiegata con un particolare accento sull'ottimizzazione di una parte di fusoliera e sulle limitazioni dovute alla fabbricazione, utilizzando l'esempio del Barrel 1B (sezione di fusoliera, sviluppata per la maturazione della fusoliera in composito dell'A350-900). Le piattaforme collaborative e multidisciplinari sono dei punti chiavi per uno sviluppo veloce e efficiente dell'aereo. Un processo esteso alla concezione rapida (secondo l'immagine di PRESTO) é utilizzato durante queste sessioni multidisciplinari e si focalizza sulle variazioni geometriche, il calcolo dei carichi, la generazione di un modello a elementi finiti, l'assemblaggio delle differenti parti/sezioni, il dimensionamento rapito (con PRESTO), le limitazioni dovute alla fabbricazione e il calcolo delle masse. Con lo spirito di voler dimostrare questo processo e allo stesso tempo di validare questo nuovo programma, sono stati realizzati vari studi sulla fusoliera in composito dell'A350 e su quella metallica dell'A30X. Il Barrel 1B é stato costruito per dimostrare la resistenza di una parte di struttura dell'A350-900. Differenti studi sono stati condotti per analizzare il rapporto tra le scelte ottime in massa rispetto a quelle che rispettano le limitazioni di produzione. Nonostante sia un dimensionamento rapido, PRESTO si avvicina a un dimensionamento dettagliato, dato che ottimizza direttamente i profili dei correnti e gli strati del pannello. Il processo di analisi proposto ingloba differenti studi che convergono a una concezione dettagliata che rispetta la limitazione produttiva. Differenti metodologie per assicurare la continuità delle diverse sequenze di impilamento dei pannelli sono state proposte grazie alla possibilità di valutare la qualità della sovrapposizione degli strati, considerando anche le forma di quest'ultimi e di conseguenza la facilità o meno di fabbricazione. Il compromesso tra l'ottimizzazione della massa e la semplicità di fabbricazione conduce a una decisione difficile a prendere: dipende dall'indice di performance che si vuole mettere evidenziare. Se l'indicatore é la fabbricazione e quindi i costi ricorrenti e il tasso di produzione, probabilmente un design basato su una sola sequenza per pannello é preferibile (trade 8). Se invece l'obiettivo é un peso minore, soluzioni più difficili a essere fabbricate, ma più leggere saranno quelle favorite: il trade 9 mostra appunto un guadagno di 15 Kg. Prototopizzare un processo di dimensionamento é stato l'obiettivo principale dello stage, per fare un'analisi rapida su una data configurazione, sia da un punto di vista strutturale che multidisciplinare. A livello puramente strutturale, sembra possibile comparare quasi automaticamente le performance della resistenza meccanica, massa e fabbricabilità con degli indicatori cifrati: é un successo e garantisce l'integrazione del dimensionamento rapido accelerando la fase preliminare di una concezione multidisciplinare dei futuri aerei di Airbus, il tutto considerando i criteri di fabbricazione e permettendo di ridurre i costi e i ritardi di produzione.