FEM variant analysis of stress and stain states around the ferrule of the aircraft composite landing gear leg

Katarzyna Lipowska

Abstract

The purpose of this diploma thesis was to perform a strength analysis of composite aviation structure, which was the landing gear leg using finite element method (FEM). The landing gear leg consisted of a composite structure which was joined with a metal ferrule by a bolt. The dissertation considered the problem of introducing force from the ferrule to the composite structure on two different assumptions referring to the manner of making a joint between ferrule and structure. First of them represented the fully adhesive bonding, where composite structure, ferrule and bolt were perfectly bonded together in pairs; whereas, the second one described the opposite type of joint which could be defined as a sliding contact without friction. The analysis was performed using the ANSYS software in which joints were modelled as appropriate contact problems. The analysis was focused on determination and comparison of strain and stress states in the structure of the landing gear leg for both assumed joint types, with particular consideration of the area around the ferrule. The first theoretical part of this dissertation consists of four chapters. The first one presents the aim of the thesis. Next chapter describes the structure of the analysed landing gear leg with a brief introduction to the purpose of such structure. Afterwards, the third chapter is fully dedicated to presenting basic information about composite materials and analytical methods for their strength assessment, including main relations for anisotropic materials, orthotropic materials and layer plates called laminates. Some of options available in ANSYS program enabling a numerical analysis of composite elements are also described. Moreover, this chapter contains characterizations of some degradation mechanisms of composite structures which are usually difficult to describe in analytical or numerical way and very important to consider strength of such structures at the same time. In the last theoretical chapter, contact problems, their brief analytical description and a method of modelling them in a numerical analysis are presented. The second part of this diploma thesis concerns the numerical analysis (FEM) of the composite landing gear leg for different parameters of joint between its elements. This part consists of three chapters. The first one shows the numerical model, its units with division into finite elements and adopted material properties. The way of creating contact elements in the model (in the area of the ferrule), assumptions concerning these elements, boundary conditions, the value and the method of applying load to the ferrule are also described. The next chapter contains the results obtained for both considered cases with different parameters of the joint between parts of the landing gear leg (composite structure, ferrule and bolt). The results relate to displacements occurring in the whole landing gear leg, stresses with particular emphasis on the area around the ferrule, the contact stresses and displacements between the part of the structure in contact. The final chapter of this thesis contains a discussion on the results which defines the differences in the landing gear leg 6 structure work according to the type of joint - a bonded or a sliding contact. Furthermore, present chapter demonstrates areas of the landing gear leg where most effort occurred for both considered cases. This chapter contains also a brief description of the process of the whole numerical analysis and main conclusions related to the work of examined structure of the landing gear leg with both types of joint. In addition, better joint between elements of the landing gear leg based on the performed strength analysis is pointed out. At the end, the reinforcement of the structure which could improve its safety is proposed.
Diploma typeMaster of Science
Author Katarzyna Lipowska WMEiL
Katarzyna Lipowska,,
- Faculty of Power and Aeronautical Engineering
Title in PolishWariantowa analiza MES stanu naprężeń i odkształceń wokół okucia kompozytowej goleni samolotu
Supervisor Grzegorz Krzesiński ITLMS
Grzegorz Krzesiński,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (IAAM)
Study subject / specializationLotnictwo i Kosmonautyka
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date07-10-2013
Issue date (year)2013
Pages96
Internal identifierMEL; PD-2369 (zastrzeżona)
Reviewers Grzegorz Krzesiński ITLMS
Grzegorz Krzesiński,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
, Tomasz Zagrajek ITLMS
Tomasz Zagrajek,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Keywords in Polishanaliza MES, goleo samolotu, wytrzymałośd materiałów i konstrukcji, materiały kompozytowe, zagadnienia kontaktowe, ANSYS .
Keywords in English-
Abstract in PolishCelem niniejszej pracy było przeprowadzenie analizy wytrzymałościowej kompozytowej konstrukcji lotniczej, którą była goleo podwozia samolotu, przy wykorzystaniu metody elementów skooczonych (MES). Goleo składała się ze struktury kompozytowej, która połączona była z metalowym okuciem przy pomocy sworznia. W pracy rozpatrzony został problem wprowadzania siły z okucia do struktury kompozytowej przy dwóch różnych założeniach dotyczących sposobu wykonania połączenia między okuciem a strukturą. Pierwsze z nich przedstawiało połączenie w pełni klejone, tzn. struktura kompozytowa, okucie i sworzeo były parami ze sobą sklejone. Drugie zaś połączenie nieklejone, które określid można jako kontakt bez tarcia pomiędzy wspomnianymi elementami goleni. Analiza przeprowadzona została za pomocą programu ANSYS, gdzie połączenia modelowane były jako odpowiednie zagadnienia kontaktowe. W analizie skupiono się przede wszystkim na wyznaczeniu i porównaniu stanu odkształcenia oraz stanu naprężenia w goleni dla obu założonych rodzajów połączeo ze szczególnym uwzględnieniem obszaru wokół okucia. Pierwsza, teoretyczna częśd pracy składa się z czterech rozdziałów. Pierwszy z nich przedstawia cel pracy. Kolejny zawiera opis struktury analizowanej goleni podwozia wraz z krótkim wprowadzeniem dotyczącym przeznaczenia tego typu konstrukcji. Trzeci rozdział natomiast w pełni poświęcono przedstawieniu podstawowych informacji dotyczących materiałów kompozytowych oraz metod analitycznych stosowanych do oceny wytrzymałościowej tych materiałów, w tym głównych zależności dotyczących materiałów anizotropowych, ortotropowych oraz płyt warstwowych zwanych laminatami. Opisano także niektóre funkcje dostępne w programie ANSYS umożliwiające analizę numeryczną elementów wykonanych z kompozytów. Ponadto w tym rozdziale zawarto charakterystykę niektórych mechanizmów niszczenia struktur kompozytowych, które są zwykle trudne do opisu analitycznego i numerycznego, a zarazem bardzo istotne przy rozpatrywaniu wytrzymałości. W ostatnim teoretycznym rozdziale pracy przedstawiono zagadnienia kontaktowe, ich krótki opis w ujęciu analitycznym oraz sposób ich modelowania w analizie numerycznej. Druga częśd pracy dotyczy przeprowadzonej analizy numerycznej (MES) kompozytowej goleni dla różnych parametrów połączenia między jej elementami. Częśd ta składa się z trzech rozdziałów. W pierwszym z nich przedstawiono dokładnie model numeryczny goleni, jego części wraz z podziałem na elementy skooczone oraz przyjętymi właściwościami materiałowymi. Opisano sposób wprowadzenia do modelu elementów kontaktowych w obszarze okucia oraz założenia ich dotyczące. Określono warunki brzegowe, a także wartośd i sposób przyłożenia obciążenia do okucia. W kolejnym rozdziale zamieszczono wyniki otrzymane dla obu rozpatrywanych przypadków goleni kompozytowej różniących się parametrami połączeo między częściami goleni (strukturą kompozytową, okuciem i sworzniem). Wyniki dotyczyły przemieszczeo występujących w goleni, naprężeo ze szczególnym 4 uwzględnieniem obszaru wokół okucia oraz naprężeo kontaktowych i przemieszczeo między fragmentami konstrukcji w kontakcie. W ostatnim rozdziale pracy zawarto dyskusję otrzymanych wyników, w której określono różnice występujące przy połączeniu klejonym i nieklejonym oraz wskazano najbardziej wytężone obszary goleni dla obu badanych przypadków. W podsumowaniu w skrócie opisano przebieg całej analizy numerycznej oraz przedstawiono podstawowe wnioski dotyczące pracy konstrukcji goleni przy obu rodzajach połączeo. Wskazano, które z połączeo okazało się lepsze z punktu widzenia przeprowadzonej analizy wytrzymałościowej oraz zaproponowano obszar w konstrukcji goleni, którego wzmocnienie mogłoby zwiększyć jej bezpieczeństwo.
File
Praca_dyplomowa_mgr_K.Lipowska.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) Praca_dyplomowa_mgr_K.Lipowska.pdf 8.39 MB


Back