title: Fluid structure interaction analysis considering the structural behavior
title: Analyse der Fluidstrukturinteraktion unter Berücksichtigung des Strukturverhaltens
Creators: name: Roszak, Robert
Publisher: name: BTU  Cottbus - Senftenberg
Year: 2024
Subjects: subject: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

description: The development of computer technologies allows using numerical simulations in the early stages of aircraft design more and more often. The role of both wind tunnels and initial test flights used to validate of solutions seems to be diminishing. Big systems for three-dimensional simulations of Fluid-Structure Interactions (FSI) constitute highly specialized and costly software. Most of the codes are based on many simplifications. One of them is the assumption of linearity of the structural model being in contradiction with real-life situations. The postdoctoral dissertation presents the results of simulations for complex, multi-scale objects and non-linear structure models and extended structure testing in relation to damage in macroscale analysis. What is crucial for carrying out the assumed analyses is to extend a numerical tool comprising a flow and a structural program and a space grid deformation model for a system allowing to take into consideration the non-linearity of the structure. The point of reference for testing the suggested approaches are the existing solutions of the aeroelastic linear problems. Results of the recent research might be applied for the construction of increasingly common unmanned aerial vehicle (UAV). Modern structure is a key element that affects the basic parameters as mass or range of these vehicles. Until now the research and development of the aeroelastic calculation algorithm for commonly used materials in the framework of linear geometry and linear-elastic material behavior was used. The current developments of materials for light-weight design common use of 3D printing technology causes the increasingly widespread use of new alternative materials in the aviation industry. This is particularly true for the design and construction of UAV, where the basic requirements are the lightness of the structure and the maximum range. Unfortunately, the fulfillment of the above criteria means that the materials used are often loaded not only in a elastic range but also more often above this limit. In case of analyzing aeroelastic phenomena for a loaded structure we should take a closer look at the behavior of the material outside the elastic range in which the damage occurs. The process of destroying in the face of such dangerous phenomena as flutter in aircraft constructions requires a deeper analysis of the mechanics of materials, in particular for new materials and their manufacturing techniques. As part of joint experiments and numerical simulations, detailed research was carried out to describe the behavior of printed materials, which will be increasingly used in the design of aircraft structures. Extending the postdoctoral dissertation with the research carried out at BTU will allow further development of the existing FSI algorithm, taking into account the structural behavior more accurately and the possibility of predicting damage processes.
description: Die Entwicklung von Computertechnologien ermöglicht den immer häufigeren Einsatz numerischer Simulationen in den frühen Phasen des Flugzeugentwurfs. Sowohl Windkanäle als auch erste Testflüge zur Validierung von Lösungen spielen offenbar eine immer geringere Rolle. Die meisten Codes basieren auf vielen Vereinfachungen. Eine davon ist die Annahme, dass die Linearität des Strukturmodells im Widerspruch zu realen Situationen steht. Die Habilitationsschrift präsentiert die Ergebnisse von Simulationen für komplexe, mehrskalige Objekte und nichtlineare Strukturmodelle sowie erweiterte Strukturtests in Bezug auf Schäden in der Makroskalenanalyse. Entscheidend für die Durchführung der angenommenen Analysen ist die Erweiterung eines numerischen Werkzeugs, das ein Strömungs- und ein Strukturprogramm sowie ein räumliches Gitterverformungsmodell umfasst, für ein System, das die Berücksichtigung der Nichtlinearität der Struktur ermöglicht. Bezugspunkt für die Prüfung der vorgeschlagenen Ansätze sind die vorhandenen Lösungen der aeroelastischen Linearprobleme. Ergebnisse der jüngsten Forschung könnten für den Bau zunehmend verbreiteter unbemannter Luftfahrzeuge (UAV) genutzt werden. Bisher wurde die Forschung und Entwicklung des aeroelastischen Berechnungsalgorithmus für häufig verwendete Materialien im Rahmen der linearen Geometrie und des linear-elastischen Materialverhaltens genutzt. Die aktuellen Materialentwicklungen für den Leichtbau sowie der Einsatz der 3D-Drucktechnologie führen dazu, dass in der Luftfahrtindustrie immer häufiger neue Alternativmaterialien zum Einsatz kommen. Dies gilt insbesondere für die Konstruktion und den Bau von UAVs, bei denen die Grundanforderungen die Leichtigkeit der Struktur und die maximale Reichweite sind. Leider führt die Erfüllung der oben genannten Kriterien dazu, dass die verwendeten Materialien häufig nicht nur im elastischen Bereich, sondern häufiger auch oberhalb dieser Grenze belastet werden. Bei der Analyse aeroelastischer Phänomene für eine belastete Struktur sollten wir das Verhalten des Materials außerhalb des elastischen Bereichs, in dem der Schaden auftritt, genauer betrachten. Der Prozess der Zerstörung angesichts so gefährlicher Phänomene wie Flattern im Flugzeugbau erfordert eine tiefergehende Analyse der Materialmechanik, insbesondere für neue Materialien und deren Herstellungstechniken. Im Rahmen gemeinsamer Experimente und numerischer Simulationen wurden detaillierte Untersuchungen zur Beschreibung des Verhaltens von gedruckten Materialien durchgeführt, die zunehmend bei der Gestaltung von Flugzeugstrukturen zum Einsatz kommen werden. Die Erweiterung der Habilitationsschrift um die an der BTU durchgeführten Forschungsarbeiten ermöglicht eine Weiterentwicklung des bestehenden FSI-Algorithmus unter genauerer Berücksichtigung des Strukturverhaltens und der Möglichkeit, Schadensprozesse vorherzusagen.