Ultralight aircraft tube cluster joint design for additive manufacturing

Abstract

This thesis is about the tubular joint of an airplane, i.e. a cluster that is intended to be printed from metal. The part has straight-cut ends that enable orbital welding using the TIG welding method. The cluster part reduces the manual work of the tube ends and manual welding. Another perspective is how modern additive manufacturing changes the design method and the size of the printed object. This thesis looks to the future possibilities of trike design. Ultralight aircraft trike is lightweight and must be optimised structure. A common design feature among trikes is the use of single-tube frame, this is often enclosed by composite fairing for aerodynamic shaping rather than structural integrity. With a single tube structure protecting the occupants rather poorly. The diagonal tubular-frame, being wider than the passengers, offers improved protection by absorbing part of impact forces during collision. The aim is to design and optimise the cluster joints of a tubular aircraft, by removing stress peaks from the joint and nearby area. In this work, various printable joint areas are designed at the junctions of tubes. The initial analysis has determined the tube dimensions to the frame. Subsequently more detail static cluster analysis is carried out on specific sections in this thesis. The cluster structure is thickened based on von-Mises stress obtained from the analysis. The shape of the tube part changes more suitable for 3D printing than for machining. From the re-analysis, it can be concluded that stress peaks have decreased in the cluster joint and in the nearby area. Alternatively, cluster have been designed using shape optimisation tool, which reduces material from original design and analysed based on the applied loads. In the thesis, parts and brackets related to the tube structure are designed on ultralight trike.

Tämä diplomityö käsittelee lentokoneen putkirakenteista liitosta eli klusteria, joka on tarkoitettu metallista tulostettavaksi. Klusteriosassa suoraksi leikatut putkimaiset liitospäät mahdollistavat automaattisen orbitaalihitsaamisen TIG-hitsausmenetelmällä. Klusteriosa vähentää putkien päiden manuaalista valmistamista sekä käsin hitsaamista. Toinen näkökulma on miten moderni 3D tulostaminen muuttaa suunnittelutapaa ja tulostettavan kappaleen kokoa. Ultrakevyt trike on kevytrakenteinen ja sen on oltava rakenteeltaan optimoitu. Yksiputkinen runkorakenne suojaa matkustajia varsin heikosti. Putkirunkoinen diagonaalirakenteinen runko, joka on leveämpi kuin matkustajat suojaavat törmäystilanteessa paremmin ja ottaa osan voimista törmäystilanteessa vastaan. Työn tavoitteena suunnitella putkirunkoisen lentokoneen klusteriosia siten että jännityshuiput liitoksessa ja sen lähialueella saadaan pienennettyä. Alkuanalyysin perusteella on määritelty putkien halkaisijat runkoon. Putkien yhtymäkohtaan eli klusteriin tehdään staattinen analyysi. Analyysin von-Mises jännityksen suhteen lisätään klusteriosaan materiaalia. Uudelleenanalysoinnista voidaan havaita jännityshuippujen pienentyneen korvakkeessa, putkissa ja lähialueella. Vaihtoehtoisesti klusteri on suunniteltu muodonoptimointityökalulla, joka poistaa materiaalia alkuperäisestä rakenteesta annettujen määritelmien mukaan kuormitukseen perustuen. Työssä suunnitellaan runkorakenteeseen liittyviä osia, sekä korvakkeita ultrakevyeen trikeen.