On Pressure-Actuated Cellular Structures

215 Pages·2016·15.66 MB·English

by  Gramüller, Benjamin

On
Pressure-Actuated Cellular Structures

Bei der Fakultät für Maschinenbau
der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

zur Erlangung der Würde

eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

genehmigte Dissertation

von: Dipl.-Ing. Benjamin Gramüller
aus: Ingolstadt

eingereicht am: 09. Juni 2016
mündliche Prüfung am: 19. September 2016

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Christian Hühne
Prof. Dr.-Ing. Horst Baier

2016

Abstract I
Abstract
The herein presented investigations address the implementation of a holistic design process for
Pressure-Actuated Cellular Structures (PACS) and include their realization and characterization.
Similar to the motion of nastic plants, the actuation principle of these biologically inspired shape-
variable structures bases on the controlled expansion of pressurized volumes. The advantages of fluidic
actuation are combined with an adaptive single-curved structure that deforms continuously and with
controllable stiffness between predefined states of shape. Benfits from the utilization of such a
structure are expected within the fields of aeronautical, automobile, power and civil engineering.
The herein presented research bases on the so far purely theoretical investigations of Pagitz et al. [1].
Their work covers the description of the functional principle, the implementation of a numerical
structural model, an approach for the shape-optimization procedure and the identification of structural
characteristics. The preceding studies are limited to the numerical simulation on the basis of two-
dimensional truss-structures. The effects of model assumptions and the validity of the underlying
methods are so far not evaluated. Some substantial structural subsystems are not yet described or
identified and their influence on the overall structure is not examined.

The identification of open issues, the development and the validation of design methods, as well as the
evaluation of the performance of the concept of PACS are realized in consideration of the holistic
system. A substantial aspect of the herein presented procedure is the verification of these methods for
different system levels by numerical simulation and experimental examination of functional models at
an early stage. The following core issues are addressed:
An alternative structural model is developed that provides a high grade of flexibility for the adaption of
model assumptions and structural boundary conditions. It is used for the issue of shape optimization,
for the computation of the highly geometrical nonlinear deformations and for the stress analysis. With
utilizing the approach of virtual work (AVW), the influence of model assumptions on the deformation
accuracy and on the computational efforts can be determined. Examinations about the deformation
behaviour, the resulting structural stresses and ultimately the operational envelope are thereby
performed. The shape-optimization process, which bases on the same structural model, profits from the
model’s expandability for external forces and allows for the consideration of external loads. The target
deformation can thus be reached also under the influence of specifiable load conditions. Following
this, the implementation of an approach for the automated load-based design of the PACS’s cross
section allows reducing structural stresses and deviations of deformation. A novel concept for sealing
the shape-variable structure allows increasing the PACS’s performance due to its low rigidity and the
load-based design. It is described together with the underlying methods for the computation of the cell
closure’s shape. Conceptual limitations due to the manufacturing and assembly processes are
identified. The investigation of alternative production processes for PACS and the development of the
selected variants allow for the reduction of these limitations. In order to verify and improve the design
methods, numerical and experimental investigations are performed at the subsystem level. The
combination of partial solutions to a holistic design process for PACS allows for the realization of a
fully-functional test specimen and thus for the experimental validation of the entire system
A holistic solution for the design of PACS is successfully implemented and applied for the profound
investigation on an experimental basis. The foundation for the evaluation and utilization of such shape-
variable structures is thus laid.
II Kurzfassung
Kurzfassung
Die nachfolgenden Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung eines ganzheitlichen
Entwurfsprozesses für Druckaktuierte Zelluläre Strukturen (PACS, engl.: Pressure-Actuated Cellular
Structures), sowie deren Realisierung und Charakterisierung. Ähnlich dem Vorbild nastischer
Pflanzen, basiert das Antriebsprinzip dieser biologisch inspirierten formvariablen Strukturen auf der
Ausdehnung druckbeaufschlagter Volumina. Die Vorzüge fluidischer Aktuierung lassen sich dabei auf
eine einfach gekrümmte Struktur übertragen, welche sich stufenlos und mit kontrollierbarer Steifigkeit
zwischen spezifizierbaren Formzuständen deformieren lässt. Potentiale aus der Nutzung einer solchen
Struktur ergeben sich unter anderem für die Bereiche Luftfahrt, Automobil- und Energietechnik sowie
Bauwesen.
Die hier vorgestellten Forschungsinhalte knüpfen an die bislang rein theoretischen Untersuchungen
von Pagitz et al. [1] an. Die Beschreibung des Funktionsprinzips der PACS, die Implementierung eines
numerischen Strukturmodells und eines Ansatzes zur Formoptimierung, sowie die Ermittlung der
Struktureigenschaften wurden darin erstmals behandelt. Die vorangegangenen Arbeiten beschränken
sich auf die numerische Simulation auf Basis zweidimensionaler Fachwerke, wobei die Einflüsse von
Modellannahmen nicht untersucht, sowie die Gültigkeit zugrundeliegender Methoden bislang nicht
nachgewiesen wurden. Einige wesentliche Subsysteme wurden bisher weder beschrieben noch
identifiziert und deren Einflüsse auf das Gesamtstrukturverhalten sind nicht untersucht.
Die Identifikation offener Problemfelder, die Entwicklung und Validierung von Entwurfsmethoden,
sowie die Bewertung der Leistungsfähigkeit des Konzeptes der PACS erfolgen in dieser Arbeit über
eine ganzheitliche Systembetrachtung. Ein wesentlicher Bestandteil der hierin umgesetzten
Vorgehensweise ist die frühzeitige Überprüfung der Entwurfsmethoden anhand numerischer und
experimenteller Untersuchungen auf unterschiedlichen Systemebenen. Die folgenden Kernthemen
werden dabei behandelt:
Ein alternatives Strukturmodell wird entwickelt, welches eine hohe Flexibilität gegenüber der
Adaptionen von Modellannahmen und strukturellen Randbedingungen aufweist. Dieses wird zur
Formoptimierung, zur Berechnung hochgradig geometrisch nichtlinearer Deformationen, sowie zur
Beanspruchungsanalyse verwendet. Unter Verwendung des Prinzips der virtuellen Arbeit kann damit
der Einfluss von Modellannahmen auf die Genauigkeit und den Berechnungsaufwand der
Struktursimulation bestimmt werden. Untersuchungen zum Deformationsverhalten, zu den
resultierenden strukturellen Belastungen und letztlich zur Leistungsfähigkeit der formvariablen
Struktur werden damit ermöglicht. Der ebenfalls auf dieses Modell zurückgreifende
Formoptimierungsprozess erlaubt durch eine Erweiterung zur Berücksichtigung externer Kräfte und
Momente das Erreichen vorgegebener Zieldeformationen auch unter Lasteinwirkung. Ein daran
anknüpfender Detailentwurf, welcher auf der Bestimmung lokaler Deformationen und Lastverläufe
basiert, ermöglicht die Reduktion von Spannungen und Deformationsabweichungen. Ein neuartiges
Konzept zur Abdichtung druckbeaufschlagter formvariabler Strukturen verhindert durch eine geringe
Eigensteifigkeit und beanspruchungsorientierte Formgebung die Limitation des Deformations-
potentials der Zellstruktur. Die Zellverschlusslösung wird zusammen mit den zugrundeliegenden
Berechnungsmethoden beschrieben. Fertigungs- und montagebedingte Randbedingungen werden
identifiziert. Zur Verifikation und Verbesserung von Entwurfsmethoden werden numerische und
experimentelle Untersuchungen auf Subsystemebene durchgeführt. Die Zusammenführung der
Teillösungen zu einem ganzheitlichen Entwurfsprozess für PACS erlaubt die Realisierung von
Teststrukturen und damit die experimentelle Validierung des Gesamtauslegungsprozesses.
Das Konzept der PACS kann durch den Aufbau eines ganzheitlichen Entwurfsprozesses erstmals
fundiert und auf experimenteller Basis untersucht werden. Die Grundlagen zur Bewertung und
Nutzung solcher formvariabler Strukturen sind damit geschaffen.
Preface III
Preface
This thesis is accomplished at the department of Composite Design as part of the Institute of
Composite Structures and Adaptive Systems at the German Aerospace Center (DLR) in Braunschweig.
Airbus Defence and Space supported this research, which is part of the project Sagitta, with resources
and large expertise. The productive cooperation with the participating research institutes allowed
handling and overcoming even complex and interdisciplinary issues. The excellent teamwork and
support is gratefully acknowledged.
The completion of this work is made possible only by the valuable support of great supervisors,
advisors, colleagues and friends. In particular, I would like to thank:
Prof. Dr.-Ing. Christian Hühne, Institute of Adaptronics and Function Integration (iAF)
at the Technical University Braunschweig and department head Composite Design
(FA-FLB), DLR, for providing the opportunity to work on this innovative field of
research, for the competent supervision, for the professional support and the assistance
in the context of and beyond this thesis.
Prof. Dr.-Ing. Horst Baier, director of the Institute of Lightweight Structures (LLB) at
the Technical University Munich, for the great preparation during studies and for
assuming the supervision as second examiner.
Prof. Dr.-Ing. Michael Sinapius, director of the Institute of Adaptronics and Function
Integration at the Technical University Braunschweig for being chairman of the
examination board.
Prof. Dr.-Ing. Martin Wiedemann, director of the Institute of Composite Structures and
Adaptive Systems, DLR, for critical observations and inspiring discussions.
Dr.-Ing. Jost Seifert, Dr.-Ing. Roland Lang, Airbus Defence and Space, and Michael
Hanke, DLR, for mentoring and assistance within the framework of Sagitta.
Dr. Markus Pagitz, for providing a valuable preparatory work and motivation.
The students, which contributed to this work with great enthusiasm and professional
approach, in particularly Alfred Tempel, for his work on the cell closure concepts and
Johannes Boblenz, for the sustaining efforts with realizing the first PACS demonstrator.
Jochen Schmidt, my office colleague, for the friendly teamwork and numerous helpful
discussions not only about manufacturing issues and Dr.-Ing. Hardy Köke, my valuable
contact partner in terms of research issues, for his persistent support and clear words.
Eva, for her incredible generosity and tolerance, my parents, for their faith in me, my
brothers and my friends, who complement my yang with the necessary yin.
This work is devoted to my deceased friend and brother Matthias Gramüller.

Braunschweig, September 2016
IV

“You have power over your mind
- not outside events.
Realize this, and you will find strength.”
Marcus Aurelius
Contents V
Contents
Abstract I
Kurzfassung II
Preface III
Contents V
List of Symbols VII
List of Acronyms XI
1 Introduction 1
1.1 Problem definition and approach to solution 1
1.2 Motivation for this work on morphing structures 2
1.3 Morphing structures and actuation 8
1.4 Objectives and outline 25
2 Computation of truss geometry and characterization 29
2.1 Structural model 30
2.2 Optimization model 44
2.3 Optimization algorithm 51
2.4 Shape optimization 51
2.5 Simulation and characterization 58
2.6 Shape optimization and characterization of the variable-chamber wing PACS 63
3 Cross-sectional design 73
3.1 Flexure hinge geometry 74
3.2 Cell side geometry 76
3.3 Connection structure 77
3.4 Transition geometry for the connection of structural sub-elements 78
4 Sealing and pressurization 81
4.1 Demands on the cell closure for PACS 81
4.2 Collection of cell closure concepts 83
4.3 Concept selection 96
4.4 Design sensitivities and characteristics 97
4.5 Sealing and fluid flow 103
5 Manufacturing and assembly 107
VI Contents
5.1 Manufacturing processes for cell body structure 107
5.2 Manufacturing processes for cell closure membrane 114
5.3 Assembly of PACS specimens 117
6 Evaluation and progressive improvement of design methods 121
6.1 Experimental and simulative investigation 122
6.2 Evaluation and progressive improvement 140
6.3 Critical evaluation of the holistic design process 145
7 Application of the generic design process 149
7.1 Toolchain for the design of PACS 149
7.2 Use cases 153
8 Conclusion and Outlook 157
8.1 Results and achievements 157
8.2 Open issues and prospect 161
Appendix 163
List of Tables 183
List of Figures 185
Bibliography 190