Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Оптимизация формы крыла - это программная реализация оптимизации формы, которая в основном используется при проектировании самолетов. Это позволяет инженерам производить более эффективные и дешевые конструкции самолетов.

История [ править ]

Оптимизация формы, как программный процесс и инструмент, впервые появилась как алгоритм в 1995 году и как коммерческое программное обеспечение для автомобильной промышленности к 1998 году, как отметил Ф. Муйл. [1] По сравнению с возрастом автомобильных и авиационных компаний это программное обеспечение является очень новым. Трудность заключалась не в науке, лежащей в основе процесса, а в возможностях компьютерного оборудования. В 1998 году Ф. Муйл разработал компромисс между точной точностью и временем вычислений, чтобы уменьшить лобовое сопротивление автомобиля. Фазы GA - это стандартные итерации генетического алгоритма, а фазы BFGS - это приближенные вычисления, предназначенные для экономии времени. Однако он признал, что время вычисленийТребовалось на существующем оборудовании почти две недели для умеренного улучшения упрощенной модели проверки концепции, что сделало ее непривлекательной для коммерческих целей. Он также признал, что улучшение реализации моделирования для использования автоматических частных производных может сократить время вычислений, особенно со специализированным оборудованием. В 2000 году, после пары лет разработки компьютерного оборудования, К. Мауте [2] представил более точную систему, которая могла достаточно быстро оптимизировать крыло самолета для коммерческого использования.

Метод [ править ]

Оптимизация формы крыла по своей природе является итеративным процессом. Во-первых, для начала процесса выбирается базовая конструкция крыла; Обычно это крыло, созданное аэрокосмическими инженерами . Предполагается, что это крыло достаточно близко к наиболее подходящей конструкции от инженеров. Следующим шагом является моделирование формы и конструкции крыла. После того, как они нанесены на карту, программа запускает модель в смоделированном воздушном туннеле с использованием хорошо разработанных уравнений вычислительной гидродинамики (CFD). Результаты теста показывают различные рабочие характеристики этой конструкции. После этого программное обеспечение вносит постепенные изменения в детали конструкции и формы, воссоздает модель и пропускает новую модель через аэродинамическую трубу.. Если в результате изменений крыло работает лучше, программное обеспечение фиксирует изменения. В противном случае изменения удаляются и вносятся другие изменения. Затем изменения сохраняются как новая рабочая модель, и цикл повторяется. Весь этот процесс выполняется до тех пор, пока наблюдаемые изменения не сходятся в дизайне, например, когда изменения составляют менее 1 мм. [3]

К сожалению, получившаяся конструкция крыла может быть настолько хороша, насколько хороша расчетная модель.

Примеры [ править ]

Традиционный [ править ]

Пример оптимизации концепции был проведен Леовириякитом в 2003 году на Боинге 747-200. [4] Используя приведенный выше список переменных, он оптимизировал только одну точку - коэффициент подъемной силы 0,42 и скорость 0,87 Маха , что чуть выше крейсерской. С помощью всего лишь этих нескольких переменных он смог добиться снижения лобового сопротивления на 12%.и уменьшение веса крыла на 0,1%. Выполненный код обеспечил больший размах, но меньшую стреловидность, чем исходная форма крыла в плане. Хотя уменьшение стреловидности на самом деле увеличивает сопротивление, оно также увеличивает подъемную силу, позволяя снизить угол атаки, а расширенный размах крыла снижает индуцированное сопротивление (завихрение на законцовке крыла), что приводит к общему снижению сопротивления. К сожалению, его оптимизированный дизайн использует слишком простую модель; он понял, что, если бы во внимание было принято больше переменных, таких как вязкие эффекты, итоговая модель была бы совсем другой. Другое важное ограничение единой точкиподход заключается в том, что он оптимизирует крыло только для одной скорости и условий подъемной силы. Хотя лобовое сопротивление могло быть уменьшено на крейсерской скорости, оно могло быть резко увеличено при взлете и посадке, что привело к чистой потере топлива для авиакомпании.

Крыло-тело [ править ]

Этот процесс также можно расширить, чтобы изучить конструкции самолетов с одним крылом. Самолеты с крылом и фюзеляжем могут масштабировать свой груз намного проще, чем при традиционной конструкции «труба и планка». Airbus использовал этот подход для изучения вариантов конструкции будущих больших самолетов в 2002 году. [5] Их цели, однако, были немного более сложными, чем первоначальная конструкция программного обеспечения: самолету требуется максимальное отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению , чтобы быть продольно нейтральным ( не желая подниматься или опускаться без хвоста), иметь максимальный угол атаки , иметь минимальную кабинуобъем и форма, и иметь максимальную толщину на подвесных крыльях. Используя три разных компонента, они расширили свою вычислительную модель, чтобы включить как можно больше ограничений, включая эффекты вязкости. Этот метод требует значительно большей вычислительной мощности. Их первоначальные результаты позволили сэкономить много денег на строительстве и испытаниях, поскольку они вызывают сверхзвуковой поток воздуха, ударную волну.образуется в кормовой части крыла, резко увеличивая лобовое сопротивление и уменьшая подъемную силу. После изменения их целей, чтобы поддерживать только высокое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению и выравнивать давление, моделирование обеспечило лучший дизайн, показывающий, что этот инструмент очень легко адаптируется к текущей ситуации. Конечным результатом этого исследования стало то, что у Airbus был набор аэродинамических профилей, которые подходят для очень больших самолетов с крылом корпуса. Это также доказало, что эти методы успешно адаптируются к любой задаче, которая от них требуется.

Пост-производственные изменения [ править ]

Этот метод оптимизации также может быть использован для разработки модификации существующего крыла после изготовления. В 2006 году Энтони Джеймсон изменил код, чтобы увеличить скорость гоночного P-51 Mustang . [6] У этой цели все же другая цель - Reno Air Race - это прямое сопротивление из одной точки в другую на относительно небольшой высоте. Цель состоит в том, чтобы увеличить максимальную скорость для достижения гребного винта.-приводная запись. Поскольку изменение должно быть приклеено к крылу, это сильно ограничивает возможные изменения. Проблема аналогична предыдущему примеру - нарастание ударной волны. Для этого программное обеспечение было ограничено поиском решения, которое могло бы только искажать форму крыла в плане наружу, в сторону от рулевых поверхностей. Использование коэффициента подъемной силы0,1 и скорости 0,78 Маха, программное обеспечение создало неровность в передней части верхней части крыла. Прерывание воздушного потока на этой конкретной скорости перемещается на нужное расстояние, чтобы разбить ударную нагрузку, уменьшив сопротивление. Хотя сопротивление самолета было увеличено ниже 0,73 Маха, это было исключено как менее важное, чем максимальная скорость. Если эти модификации работают, как ожидалось, это подтверждает использование программного инструмента для улучшения существующего серийного крыла без переделки.

Многоточечная оптимизация [ править ]

Тем не менее, у всех этих методов есть недостаток - они настроены на один конкретный набор условий и скорости. В 2007 году Джеймсон представил как дополнительный шаг, так и новый метод расчетов. [3] Чтобы учесть дополнительные условия, такие как взлет, посадка, набор высоты и крейсерское движение, разработчик модели вычисляет все это одновременно, а не только по одному. Каждому вычислению градиента g присваивается вес β. Пунктам с более высоким приоритетом, таким как крейсерское сопротивление, придается больший вес. Градиент для определения общей «потери» или «выигрыша» для дизайна создается путем суммирования всех градиентов, умноженных на каждый соответствующий вес. Что это позволяет, так это то, что если изменение резко улучшает взлетные характеристики, но приводит к небольшому снижению крейсерских характеристик, крейсерский удар может перекрыть взлетное усиление из-за утяжеления. Такая настройка моделирования может значительно улучшить проекты, создаваемые программным обеспечением. Эта версия моделлера, однако, добавляет еще одну сложность к начальным условиям:а небольшая ошибка со стороны дизайнера может иметь значительно большее влияние на итоговый дизайн. Повышение эффективности вычислений использует преимущества нескольких переменных. На этот раз дляBoeing 747-200 - 0,85 и 0,87 Маха. К сожалению, оптимизация по двум точкам привела к улучшению сопротивления менее чем на 3% и почти не улучшила вес базовой конструкции. Чтобы проверить свою работу, он использовал ту же симуляцию на другом крыле самолета и получил аналогичные результаты. Обнаруженная проблема заключается в том, что изменения, которые увеличили одну точку интереса, напрямую противоречили другой, и возникающий в результате компромисс серьезно препятствовал полученному улучшению. Его текущее исследование включает в себя лучший способ устранить различия и добиться улучшения, аналогичного одноточечной оптимизации.


Ссылки [ править ]

  1. ^ Ф. Мюил, Л. Дюма, В. Герберт. «Гибридный метод оптимизации аэродинамической формы в автомобильной промышленности». Архивировано 18 октября 2005 года в Университете Пьера и Марии Кюри Wayback Machine . 1998 г.
  2. ^ Хоаким Р.Р. Мартинс и Хуан Дж. Алонсо. «ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ АЭРОКОНСТРУКТУРНОГО КРЫЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНАЛИЗА ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ». Конфедерация европейских аэрокосмических обществ. 2001 г.
  3. ^ a b Джеймсон, А., Леовириякит, К., и Шанкаран, С., «Многоточечная аэроструктурная оптимизация крыльев, включая вариации формы в плане» [ мертвая ссылка ] , 45-е собрание и выставка по аэрокосмическим наукам, AIAA-2007-764 , Рино, штат Невада, 8–11 января 2007 г.
  4. ^ К. Леовириякит и А. Джеймсон. «Оптимизация аэродинамической формы крыльев, включая вариации формы в плане». Архивировано 4 августа 2003 г.в документе Wayback Machine AIAA 2003-0210, 41 Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Рино, Невада, январь 2003 г.
  5. ^ М. Миалон, Т. Фол и К. Боннан. «АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ДОЗВУКОВЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ЛЕТАЮЩЕГО КРЫЛА». Архивировано 2006-12-06 в Вайбак машины бумаги АИАА 2002-2931.
  6. ^ А. Джеймсон. «Оптимизация аэродинамической формы самого быстрого в мире P-51». [ постоянная мертвая ссылка ] 44-е совещание и выставка по аэрокосмическим наукам, 9–12 января 2006 г., AIAA-0048, Рино, Невада.