Aircraft wing structure benchmark: cantilever vs. braced wing configurations

Abstract

This thesis presents a comprehensive analysis of aircraft wing structures, specifically comparing cantilever and braced wing configurations across a range of aspect ratios. The study employs Hypermesh, a powerful finite element analysis tool, which is a standard software in the aeronautical industry, to investigate the structural performance of these two wing designs. The objective is to provide recommendations for the use of wing braces in different aspect ratio scenarios, using the Cessna 408 Skycourier as a reference aircraft model for the finite element model (FEM). This work encompasses five different aspect ratios, ranging from 9.8 to 13.8, with incremental steps of one unit. Two critical analyses, SOL101 static analysis and SOL105 buckling analysis, are conducted to assess the structural integrity and stability of both cantilever and braced wing configurations. Through these analyses, the study examines factors such as stress distribution, maximum stress, and critical buckling loads. Also, it includes a connection angle study, to define the angle range for a sized brace. By comparing the performance of cantilevered and braced wing configurations with different aspect ratios, it was shown that the braced wing configuration is more advantageous for the class of aircraft CS 23, particularly in terms of structural weight. This represents a weight saving of around 35%, corroborating previous studies, which translate into greater range, greater payload capacity and lower operating costs.

Esta tese apresenta uma análise exaustiva das estruturas das asas de aeronaves, comparando especificamente as configurações de asas em cantilever e com tirantes numa série de razão de aspecto de asa. O estudo utiliza o Hypermesh, uma poderosa ferramenta de análise de elementos finitos, que é um software padrão na indústria aeronáutica, para investigar o desempenho estrutural destas duas configurações de asa. O objetivo é fornecer recomendações para a utilização de tirantes de asa em diferentes cenários de razão de aspeto, utilizando o Cessna 408 Skycourier como modelo de aeronave de referência para o modelo de elementos finitos (FEM). Este trabalho abrange cinco razões de aspeto diferentes, variando de 9,8 a 13,8, com passos incrementais de uma unidade. São efectuadas duas análises críticas, a análise estática SOL101 e a análise de encurvadura SOL105, para avaliar a integridade estrutural e a estabilidade das configurações de asa em cantilever e com tirantes. Através destas análises, o estudo examina factores como a distribuição de tensões, a tensão máxima e as cargas de encurvadura críticas. Inclui também um estudo do ângulo de ligação, para definir a gama de ângulos para um tirante dimensionado. Ao comparar o desempenho das asas em cantilever e com tirantes com diferentes rácios de aspeto, foi demonstrado que a configuração com tirantes é mais vantajosa para a categoria de aeronaves da classe CS-23, designadamente em termos de peso estrutural. Isto representa uma poupança de peso na ordem dos 35%, corroborando os estudos anteriormente realizados, que se traduzem num maior alcance, maior capacidade de carga útil e menores custos operacionais.