Master's Thesis

Design of a morphing trailing-edge wing structure

Final Thesis 2.8 MB Appendix 63.33 kB

Author of thesis: Bc. Dominik Strela

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vítězslav Sobol

Reviewer: prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design of a compliant structure for the trailing edge of a wing, function of which, is based on the elastic deformation of thin bending elements. The aim was to verify whether a smooth change in the curvature of the airfoil could be used as an alternative to a simple hinged flap, with particular attention given to the mechanical feasibility, manufacturability and aerodynamic benefit of the proposed solution. Based on a comparison of conceptual approaches, a compliant mechanism consisting of a system of rigid segments connected by serpentine compliant joints was selected. The shape of the joints was parameterized using its geometrical parameters and subsequently evaluated by the finite element method. The applicability of the numerical model was supported by experimental measurements of selected specimens and by comparing their deformation behaviour with the simulation results. The final design was then evaluated in terms of achievable deformation, stress state and aerodynamic properties. The results showed that the deformation was concentrated mainly in the serpentine joints, while the rigid segments remained deformed only to a small extent. For the required bending deformation, the FEM analysis indicated a maximum stress of approximately 172 MPa, which is below the considered allowable fatigue limit of the Ti6Al4V material. The aerodynamic analysis demonstrated an increase in the maximum lift coefficient from 1,66 for the straight airfoil to 2,47 for the deformed airfoil. At the same time, higher aerodynamic efficiency than that of the simple hinged flap model was achieved in the range of low and medium angles of attack. The proposed solution therefore suggests that compliant mechanisms may provide a suitable basis for the design of morphing wing trailing edges with a smooth change in airfoil geometry.

Keywords:

Compliant structure, morphing wing, trailing edge, serpentine structures

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta. Otázka oponenta 1: Jak byla volena výpočtová oblast pro CFD simulaci proudění kolem profilu křídla? Jaké byly zadány okrajové podmínky pro turbulentní veličiny při užití k-omega SST modelu turbulence? Jaký byl zvolen řešič v rámci výpočtového systému ANSYS Fluent? ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 2: V práci mi chyběly vizualizace tlakového a rychlostního pole. Bylo by možné je ukázat alespoň pro jeden vybraný režim proudění? ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 3: Autor se na str. 52 zmiňuje o podobnosti grafů na obr. 5.19 a obr. 5.8. Moc velkou shodu v grafech nevidím, zejména co se týče hodnot na svislé ose grafů. Mohl by autor podat v rámci obhajoby k tomuto vysvětlující komentář? ZODPOVĚZENO doc. Horák: Zabýval jste se u Vaší konstrukce otázkou kmitání a vlastními frekvencemi? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Jak je to se spolehlivostí této struktury? Co se stane v případě prasknutí lanka? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Bylo možné pro Vaši parametrickou studii využít strojové učení? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Zabýval jste se hmotnostní analýzou? Bylo by možné zajistit, aby se pružné komponenty pohybovaly pouze v definovaných drahách? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Jakou jste uvažoval hodnotu součinitele vztlaku? Jakou míru v něm hraje sklon křídla a jakou hustota a rychlost proudění okolního vzduchu? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Bylo by možné toto křídlo využít i pro formuli? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vítězslav Sobol

Diplomová práce se věnuje návrhu poddajné struktury, která slouží k plynulému morfování odtokové hrany křídla. Taková struktura, oproti jednoduchým klapkovým systémům, pomáhá dosáhnout zvýšené efektivity profilu křídla v podobě nižšího odporu při stejném vztlaku. Student detailně zpracoval výhody a nevýhody představených koncepčních řešení, z nichž zvolil přístup poddajné struktury s deformačními segmenty v podobě serpentinových tenkých lamel. Pro tyto zvolené segmenty provedl rozsáhlou citlivostní parametrickou analýzu, kterou následně experimentálně ověřil na vyrobených vzorcích. Finální detailní návrh poddajné struktury vycházel z této citlivostní analýzy, čímž byl ověřena aplikovatelnost na reálném profilu křídla. Tato finální struktura byla následně zrealizována do podoby demonstrátoru.

Díky objasnění vlivu parametrů na vlastnosti poddajné struktury jsou výsledky práce přenositelné i pro návrh dalších struktur různých profilů křídla. Oceňuji aktivní a zodpovědný přístup studenta. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá vlastním návrhem geometrie a výpočtovou i experimentální analýzou poddajné struktury odtokové hrany morfujícího profilu křídla s cílem změnit tvar profilu křídla v závislosti na konkrétních letových podmínkách. Z mého pohledu je téma diplomové práce vysoce aktuální, protože stávající technicky ověřené a běžně používané koncepty komplexních vysokovztlakových mechanismů, které nejčastěji mění geometrii profilu křídla pomocí propracovaných systémů klapek, do značné míry komplikují a prodražují výrobu křídel letadel. V současné době se proto veliká pozornost věnuje právě vývoji aktivně řízených morfujících mechanismů křídel letadel, které umožňují vlivem deformace materiálu výrazně změnit tvar křídla, nejčastěji jeho odtokové hrany tak, aby se zvýšil vztlak při vybraných režimech letu.

Konstatuji, že cíle formulované v této diplomové práci byly splněny. Téma diplomové práce je velice komplexní a oceňuji, jakým způsobem diplomant přispěl k řešení tak složité problematiky. Na tuto diplomovou práci je potřeba se dívat, jak ostatně sám diplomant zmiňuje, jako na úvodní studii proveditelnosti jím navrženého konceptu poddajné struktury odtokové hrany morfujícího profilu NACA 2510. Poddajnou strukturu odtokové hrany navrhl jako monolitický prvek vyrobený aditivní technologií LPBF (Laser Powder Bed Fusion) z materiálu Ti6A14V. Tvoří ji tuhé segmenty propojené poddajnými články s parametrizovatelnou serpentinovou geometrií. Tato poddajná struktura umožňuje plynulou změnu zakřivení odtokové hrany až o 40°. Diplomant ve své práci numericky ukázal, že při úhlech náběhu proudu v rozsahu od 0° do 10° má jím navržená poddajná struktura odtokové hrany větší aerodynamickou účinnost než profil s jednou klapkou.

Na základě rešerše, kterou diplomant provedl ve 2. kapitole této práce, popisuje a porovnává různé koncepční přístupy návrhu poddajné struktury odtokové hrany profilu. Na základě jejich zhodnocení, viz tabulka 4.1, která je však dle mého soudu spíše o pocitech autora této práce, zvolil pro další návrh poddajný mechanismus, v němž jsou rotační vazby nahrazeny serpentinovými ohybovými prvky. Autorem provedená rešerše je zřejmě dostačující z hlediska cílů této diplomové práce. Očekával jsem však, že autor svoji rešerši zaměří více komplexněji, např. i na problematiku využití FSI přístupu pro posouzení interakce mezi prouděním a poddajnou strukturou leteckého profilu nebo na problematiku únavy a životnosti materiálu, které hrají u morfujících křídel významnou roli. Na druhou stranu bych vyzdvihl výpočtovou i experimentální část diplomové práce, kdy se diplomant musel zhostit ne zcela jednoduchých numerických simulací (numerická analýza modelu poddajné struktury pomocí MKP a numerické simulace proudění pomocí CFD). Rovněž oceňuji na celé práci kapitolu 7, v níž diplomant podle mého názoru velice fundovaně diskutuje dosažené výsledky, přínosy práce a zcela realisticky hodnotí limity jím prováděného výzkumu.

Diplomová práce je na vysoké odborné úrovni. Jazykovou stránku nemohu hodnotit, neboť celá práce je napsána ve slovenštině. Po formální stránce mám k práci jen několik drobných připomínek, které rozhodně nesnižují odbornou úroveň celé práce: na str. 21 by měly být v textu odkazy na obr. 2.5 a obr. 2.6 (nikoliv na obr. 2.2, obr. 2.3 a obr. 2.4), číslování rovnic na str. 43 není průběžné (čísla rovnic (4) a (5) už jsou použity u jiných rovnic na str. 36), na str. 57 – 58 by měly být v textu odkazy na obr. 6.4 (nikoliv na obr. 6.6).

Diplomantem navržený koncept poddajné struktury odtokové hrany morfujícího profilu NACA 2510 byl vykázán jako výsledek typu "G – funkční vzorek" dle Metodiky 17+.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V práci mi chyběly vizualizace tlakového a rychlostního pole. Bylo by možné je ukázat alespoň pro jeden vybraný režim proudění?
  2. Jak byla volena výpočtová oblast pro CFD simulace proudění kolem profilu křídla? Jaké byly zadány okrajové podmínky pro turbulentní veličiny při užití k-omega SST modelu turbulence? Jaký byl zvolen řešič v rámci výpočtového systému ANSYS Fluent?
  3. Autor se na str. 52 zmiňuje o podobnosti grafů na obr. 5.19 a obr. 5.8. Moc velkou shodu v grafech nevidím, zejména co se týče hodnot na svislé ose grafů. Mohl by autor podat v rámci obhajoby k tomuto vysvětlující komentář?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová