Probabilistic Fail-Safe Size Optimization of Aerospace Structures Under Several Sources of Uncertainty

Resumen

Este trabajo presenta una investigación sobre la optimización de tamaño a prueba de fallos de estructuras aeronáuticas en régimen probabilista. El objetivo es diseñar estructuras de peso mínimo teniendo en cuenta los posibles escenarios de daño, así como varias fuentes de incertidumbre. El primer tipo de incertidumbre se refiere a la presente en parámetros estructurales, que puede caracterizarse como incertidumbre aleatoria, epistémica o híbrida. El segundo tipo de incertidumbre se refiere al desconocimiento de qué colapso parcial se producirá en un evento de fallo accidental. El último tipo de incertidumbre está relacionado con la caracterización de los escombros en caso de fallo del motor, debido a la aleatoriedad en los parámetros que definen los escombros, como el número de impactos o la ubicación y el tamaño de los agujeros en el fuselaje. Se han desarrollado varias metodologías para tratar el primer tipo de incertidumbre: la optimización de diseño basada en la fiabilidad a prueba de fallos (RBDO a prueba de fallos) utilizando el método de optimización secuencial y evaluación de la fiabilidad (SORA), la optimización de diseño basada en la evidencia a prueba de fallos (EBDO a prueba de fallos) utilizando el enfoque EBDO desacoplado, y la optimización de diseño basada en la fiabilidad híbrida a prueba de fallos (HRBDO a prueba de fallos) utilizando una estrategia desacoplada de convergencia rápida que fue desarrollada por la autora para tratar las variables aleatorias y de evidencia simultáneamente. En cuanto al segundo tipo de incertidumbre, en esta investigación se proponen dos metodologías para tratar la probabilidad de ocurrencia de cada escenario de daño: el enfoque de la probabilidaddaño para la optimización de diseño a prueba de fallos (PDFSO) y la estrategia basada en el índice de fiabilidad para el enfoque de la probabilidad-daño en la optimización de diseño a prueba de fallos ( -PDFSO), donde esta última también considera la incertidumbre en los parámetros estructurales aleatorios. Se han llevado a cabo varios ejemplos de aplicación, incluyendo un panel curvo rigidizado del fuselaje de un avión y la sección trasera del fuselaje de un avión. La última contribución de esta investigación es el desarrollo de un enfoque (DamageCreator) para generar automáticamente un conjunto suficientemente amplio de posibles escenarios de daño a partir de la malla de una aeronave, debido a un evento de fallo del motor o a un despendimiento de las palas de la hélice. Los parámetros que definen los escombros, como el número de impactos, el área de impacto, los ángulos de propagación, la ubicación de los agujeros, la orientación, el tamaño y la velocidad de los escombros, pueden considerarse aleatorios o deterministas. La herramienta se aplica a una estructura de barril cilíndrico y a un conjunto fuselaje-ala correspondiente a un avión de fuselaje estrecho. Los códigos de programación de las metodologías propuestas fueron implementados íntegramente por la autora utilizando los entornos Matlab y Python, así como Abaqus y Nastran como solvers de elementos finitos.