A Design Process Using Topology Optimization Applied to Flat Pressurized Stiffened Panels

La conception de structures légères et efficaces est essentielle dans l'industrie aérospatiale pour atteindre les performances voulues. Le processus de conception classique consiste à générer un premier concept basé sur l'expérience et la connaissance et à l'améliorer par la suite au cours de plusieurs itérations. L'émergence de l'optimisation topologique change ce processus puisque cette méthode peut montrer la distribution optimale de la matière afin de générer un concept initial amélioré. Ceci peut réduire le temps du cycle de conception et améliorer la performance finale. L'optimisation topologique pour la conception de structures aéronautiques a été appliquée dans des études de cas industrielles fructueuses. Cela encourage l'exploration de cette technologie chez Bombardier Aéronautique afin d'évaluer ses bénéfices potentiels et de définir les meilleures pratiques. L'objectif de ce projet est d'explorer l'application de l'optimisation topologique pour la conception d'une cloison de pressurisation arrière d'avion et de développer un nouveau processus de conception basé sur les connaissances acquises. Une revue de littérature est d'abord conduite afin de se familiariser avec le sujet et les travaux existants. Cette revue met l'emphase sur la technique d'optimisation topologique (Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)) et le processus de conception l'utilisant. Cette méthode est sélectionnée car elle est utilisée couramment et elle est implémentée dans des logiciels commerciaux disponibles. Dans cette étude, l'optimisation topologique est utilisée pour déterminer le raidissement optimal pour supporter la peau pressurisée de la cloison plane. Cependant, aucune application industrielle du processus pour la conception de structures pressurisée n'existe à notre connaissance. Aussi, la recherche sur le raidissement optimal de plaque par optimisation topologique est limitée puisque des contraintes typiques de conception comme la contrainte du matériau et le déplacement ne sont pas considérées. De plus, les résultats sont comparés à une plaque d'épaisseur uniforme ce qui n'est pas représentatif d'un concept de panneau raidi classique.

Abstract

The design of light and efficient structures is essential in aerospace industry to meet performance targets. The typical design process consists of generating a first design based on experience and knowledge and improving it during several iterations. The emergence of topology optimization changes this process since this technology can show optimal material placement in order to generate an improved initial concept. This can reduce design cycle time and improve the final performance. Topology optimization for the design of aircraft structures has been applied in successful industrial case studies. This encourages the exploration of this technology within Bombardier Aerospace in order to evaluate its potential benefit and define best practices. The objectives of the project are to explore the application of topology optimization for the design of an aircraft's rear pressure bulkhead and to develop a design process based on the acquired knowledge. A literature review was first conducted in order to improve the knowledge on topology optimization. The review focussed on the topology optimization technique (Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)) and the design process using it. This method is selected because it is commonly used and it is implemented in available commercial softwares. In this study, topology optimization is used to determine the optimal stiffener layout to support the pressurized skin of the flat bulkhead. However, no industrial application of the process for the design of pressurized structures exists to our knowledge. Also, the research on optimal plate stiffening using topology optimization is limited as it does not consider typical design constraints such as stress and displacement. Moreover, the results are compared to a uniform thickness plate which is not representative of a typical stiffened panel design. In order to fill this knowledge gap and explore the application of the topology optimization for pressurized plate stiffening, the bulkhead design case is simplified as a flat rectangular pressurized plate. Topology optimization is used to determine an optimal stiffener layout and results are compared with a typical design. The experience and knowledge acquired with this simplified study is then used to develop the new design process based on axiomatic design principles.