Strukturoptimering av beslag i JAS 39 Gripen

• Main Author: Kring, Mårten
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: KTH, Lättkonstruktioner 2015
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-185211

This report presents a Master thesis within the technical field of Lightweight Structures at the Master program in Aerospace engineering at the Royal Institute of Technology in Stockholm, Sweden. It is as such an independent specialization within this field corresponding to 30 ECTS credits ca 20 weeks of fulltime studies. The project spans from 2015-02-02 until 2015-07-01 and is conducted through the technology consulting company Alten Sverige AB at defense and security company Saab AB.  Keeping the weight of aircrafts at a minimum is a continuous challenge for aircraft manufacturers all around the world due to a competitively low weight being absolutely crucial in attracting potential customers. With regards to weight optimization of aircraft it is necessary to understand that a seemingly marginal weight reduction of single components through a domino-like effect can lead to a substantial weight loss for the aircraft.  The goal of this Master thesis is to produce a weight optimized standardized bracket as well as propose a for Saab useful methodology for weight optimization of any bracket inside the JAS 39 Gripen aircraft. The structural optimization should focus mainly on topology optimization and the concerned brackets are used to fasten various subsystems to the aircrafts hull structure. No previous work has been done at the company to reduce the weight of these brackets other than for the case of brackets manufactured from sheet metal where only the sheet thickness has been minimized.  Structural optimization is a mathematical approach to create as efficient load carrying structures as possible for a given objective and subjected to several constraints. Structural optimization in general and topology optimization in particular are areas of technology that still are progressing and today a lot of focus is on topology optimization with stress and fatigue constraints as well as topology optimization for anisotropic materials. The typical usage of topology optimization currently is mainly in a concept phase where the results from the topology optimization can give a kick start in the creative work of finding a suitable design.  This paper is roughly divided in three parts starting with a theoretical part covering the formulation as well as solution of structural optimization problems and their implementation in the used software. In the following part the problem is formulated, modelled and solved for a standardized bracket. Finally the used methodology is generalized for weight minimization of an arbitrary bracket in JAS 39 Gripen. The optimized electrical bracket that’s been developed demands no extra manufacturing techniques than those used for manufacturing the original. It also fulfills every functionality constraint although the combination of minimum allowed member size and functionality constraints produced a very limited topology optimization problem.  For the two most critical load cases the optimized bracket is roughly equal to its original in stiffness while exceeding it in strength. The optimized bracket is 11.7 % lighter and as it is one of the smallest brackets in JAS 39 Gripen this value is considered as a conservative benchmark for the potential of optimizing larger articles.    The method for optimization of the electrical bracket has been generalized to hold also for optimization of unique brackets and condensed to a concise work list.  This paper together with the appendices compromises suitable extra material for an online course in structural optimization that Saab has for its solid mechanics engineers. === Denna rapport är ett examensarbete på avancerad nivå inom teknikområdet lättkonstruktioner på Kungliga Tekniska högskolans masterprogram i flyg- & rymdteknik. Det är således en självständig fördjupning inom detta ämne motsvarande 30 högskolepoäng, ca 20 veckors heltidsstudier.   Projektets löptid är 2015-02-02 till och med 2015-07-01 och genomförs för teknikkonsultföretaget Alten Sverige AB:s räkning på försvars och säkerhetsföretaget Saab AB.  En ständig utmaning för alla flygplanstillverkare är att minimera flygplanens vikt eftersom en låg vikt är absolut nödvändigt för att kunna konkurrera om flygplanens köpare. När det gäller viktsoptimering av flygplan är det väsentligt att förstå hur även en till synes marginell viktminskning på enskilda komponenter genom en dominoeffekt kan leda till en betydande viktminskning för flygplanet i helhet. Detta examensarbete består i att åt Saab ta fram ett viktsoptimerat standardbeslag samt generalisera metodiken för viktsoptimering av mer unika beslag. Metodiken ska främst bygga på topologioptimering och vara anpassad till de tillverkningsmetoder som i dagsläget används. De aktuella beslagen, eller engelskans brackets som de vanligtvis kallas på Saab, som metodiken gäller har till uppgift att fästa in delsystem mot skrovstrukturen i stridsflygplanet JAS 39 Gripen. Inget arbete har tidigare lagts ned på att undersöka möjligheten att minimera vikten på dessa brackets annat än i de fall då de tillverkas från en plåt där plåtens tjocklek har minimerats.  Strukturoptimering generellt och topologioptimering i synnerhet är ett teknikområde som forsätter att utvecklas i rask takt. Strukturoptimering är ett matematiskt tillvägagångssätt för att givet mål och krav konstruera så effektiva lastbärande strukturer som möjligt. I dagsläget handlar utvecklingen mycket om topologioptimering med spänningsbivillkor, utmattningsbivillkor samt topologioptimering för anisotropa material. Det typiska användningsområdet för topologioptimering är framförallt vid en konceptfas där resultatet ger projektet en flygande start i det kreativa arbetet i sökande efter en lämplig konstruktion.  Rapporten är grovt sett uppdelad i tre delar med början i en teoretisk del med avsikt att beskriva hur strukturoptimeringsproblem formuleras och sedan löses i den använda programvaran. Därefter följer en del där problemet formuleras, modelleras och löses för en standardbracket. Avslutningsvis generaliseras metoden för elkabelbracketen till att användas för en godtycklig bracket i JAS 39 Gripen. Den optimala elkabelbracket som tagits fram kräver inga övriga tillverkningsmetoder än de som redan används för originalet och den uppfyller samtliga funktionskrav som ställs på den. Funktionskraven på elkabelbracketen i kombination med en minsta tillåten godsstorlek resulterade dock i en väldigt begränsad topologioptimering.  För de två mest kritiska lastfallen är den optimerade bracketen styvhetsmässigt knappt likvärdig originalet, till och med bättre i hållfasthetssynpunkt och samtidigt 11,7 % lättare. Då den aktuella elkabelbracketen är en utav de minsta i Gripen så uppfattas 11,7 % viktminskning som en konservativ uppskattning för vad som går att åstadkomma för större artiklar.  Optimeringen av elkabelbracketen har generaliserats till en metodik för strukturoptimering av andra beslag samt koncentrerats till en överblickbar arbetslista. Denna rapport med appendix utgör lämpligt extramaterial till den onlineföreläsning i strukturoptimering Saab har för sina hållfasthetsingenjörer.