Design and development of a morphing wing utilising flexible materials

Van Zyl, Erasmus Johannes (2020-03)

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2020.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: Aircraft wings are required to operate in a multitude of different aerodynamic conditions. To compensate for these varying conditions, modern aircraft are equipped with devices that can alter the aerodynamic characteristics of the wings by altering their shape. Most of these devices use a joint or hinge mechanism and are relatively effective at controlling the airflow over the wings but also introduce losses in aerodynamic efficiency due to discontinuities that they create in the wing surface. These devices also create large point loads at the joints or hinges, resulting in an increased likelihood of failure occurring at these locations. An iterative design method is followed in the development of a low-cost and robust small to medium-sized Unmanned Aerial Vehicle (UAV) wing capable of changing its camber during operation. The overall design process was split into two sub-processes, namely designing a suitable wing base-structure and the design of a morphing mechanism to be used in combination with the base-structure. Multiple prototypes were developed and evaluated, which led to the selection of the best performing base-structure and morphing mechanism based on the overall stiffness of the prototype and the magnitude of possible camber-change. Further exploration was carried out on the selected morphing mechanism through the use of central-composite design (CCD) studies in conjunction with a Response Surface Methodology approach and One-Factor-At-a-Time (OFAT) analysis. Through this process, a mathematical relationship between the buildparameters of the morphing mechanism and its resulting bending output was established. The optimal build-parameter combination in the specified design range was obtained. Through the knowledge gathered, a topologically simple and low-cost morphing wing was developed and constructed. The designed wing was fully inflatable, offered bi-directional camber morphing capabilities and also had the shape-changing mechanism directly embedded into the base-structure, resulting in a wing that utilized no rigid components or complex joints between parts, making the design more resilient to small to medium impacts in comparison to traditional wing designs.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Vliegtuigvlerke word vereis om in ’n reeks van verskillende aerodinamiese toestande te funktioneer. Om te kompenseer vir hierdie verskillende toestande, is moderne vliegtuie toegerus met toestelle wat die aerodinamiese eienskappe van die vlerke kan verander deur om hul vorm te verander. Hierdie toestelle is relatief doeltreffend om die lugvloei oor die vlerke te beheer, maar meestal gebruik egter ’n las- of skarniermeganisme en tot die verlies aan aerodinamiese doeltreffendheid as gevolg van diskontinuïteite wat dit in die vlerkoppervlak veroorsaak. Hierdie toestelle skep ook groot puntlading by die laste of skarniere, wat lei tot ’n groter waarskynlikheid dat versuim op hierdie plekke sal voorkom. Die navorsing wat hier voorgelê word, het gefokus op die iteratiewe ontwerpmetode wat gevolg is in die ontwikkeling van ’n laekoste en robuuste klein tot mediumgrootte Onbemande Lugvoertuig (OLV) vlerk wat in staat is om die vlerkkromming tydens werking te verander. Om die ontwerpproses te vereenvoudig is die algehele ontwerpsproses in twee sub-prosesse verdeel, naamlik die ontwerp van ’n geskikte vlerk-basisstruktuur en die ontwerp van ’n vlerk-vervormingsmeganisme wat in kombinasie met die basisstruktuur gebruik moet word. Deur hierdie proses is verskeie prototipes ontwikkel en geëvalueer, wat uiteindelik gelei het tot die keuse van die beste presterende vlerk-basisstruktuur en vervormingsmeganisme. Hierdie keuse is gebasseer op die algehele styfheid van die ontwerp as ook die omvang van die vlerkkrommingsverandering moontlik. Verdere ondersoek is uitgevoer op die geselekteerde vlerk-vervormingsmeganisme deur gebruik te maak van sentraal-saamgestelde ontwerp (SSO) studies saam met ’n Responsoppervlakmetodologie benadering as ook ’n Een-Faktor-Op-’n- Slag (EFOS) studie. Deur middel van hierdie verskillende studies is ’n wiskundige verwantskap tussen die bou-parameters van die vlerk-vervormingsmeganisme en die gevolglike buiguitset daarvan en het ook die skatting van die optimale bou-parameter kombinasie in die gespesifiseerde ontwerpreeks moontlik gemaak. Deur die kennis wat ingesamel is, is ’n topologies eenvoudige en laekoste vervormbare-vlerk ontwikkel en gebou. Die ontwerpte vlerk was volledig opblaasbaar, het tweerigting-vervormingsvermoë in terme van die vlerkkromming getoon en is so ontwerp dat die vlerk-vervormingsmeganisme direk in die basisstruktuur ingebou is, wat gelei het tot ’n vlerk wat geen regiede komponente of ingewikkelde verbindings tussen dele gebruik het nie en het dus die ontwerp meer bestand gemaak teen klein tot medium impak in vergelyking met tradisionele vlerkontwerpe.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/108202
This item appears in the following collections: