Формирование конструктивно-технологического решения аэродинамического руля с использованием топологической оптимизации
Авторы: Куприянова Я.А., Парафесь С.Г.
Опубликовано в выпуске: #5(137)/2023
DOI: 10.18698/2308-6033-2023-5-2274
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
Предложен алгоритм проектирования конструктивно-технологического решения аэродинамического руля беспилотного летательного аппарата. Алгоритм основан на применении метода топологической оптимизации для случая максимизации статической жесткости конструкции руля с ограничением по объему. Предложена структура конечно-элементной модели для оптимизации, определены граничные условия и параметры расчетного режима полета. В результате топологической оптимизации получен силовой каркас руля с минимальной массой для заданного расчетного случая. На основе силового каркаса спроектирована конструктивно-силовая схема, которая была преобразована в конструктивно-технологическое решение с учетом технологических ограничений. Для верификации исследования определены параметры напряженно-деформированного состояния и проведен расчет на флаттер типовой и оптимизированных конструкций руля. По результатам оптимизации спроектирована конструкция, отвечающая технологическим ограничениям и требованиям по прочности и аэроупругой устойчивости.
Литература
[1] Новиков В.Н., Авхимович Б.М., Вейтин В.Е. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов. Москва, Машиностроение, 1991, 368 с.
[2] Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology Optimization: Theory, Methods and Applications. Berlin, Springer, 2003, 384 p.
[3] Walker D., Liu D., Jennings A. Topology оptimization of an аircraft wing. In: 56th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2015, pp. 1–8. https://doi.org/10.2514/6.2015-0976
[4] Шапошников С.Н., Кишов Е.А., Зимнякова Л.Д. Проектирование кронштейна крепления оптического солнечного датчика космического аппарата с использование топологической оптимизации. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника, 2021, № 66, с. 98–105. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2021.66.10
[5] Rinku A., Ananthasuresh G.K. Topology and size optimization of modular ribs in aircraft wings. In: 11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation, 2015, pp. 1–6.
[6] Пикулин С.А., Красилова Е.В. Применение топологической оптимизации при проектировании беспилотных космических аппаратов. Решетневские чтения, 2018, № 1, с. 48–49.
[7] Zhao Y., Guo W., Duan S., Xing L. A novel substructure-based topology optimization method for the design of wing structure. International Journal for Simulation and Multidisciplinary Design Optimization, 2017, vol. 8, pp. 1–9. https://doi.org/10.1051/smdo/2016013
[8] Bontoft E.K., Toropov V.V. Topology optimisation of multi-element wing-tip devices. In: ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2018, pp. 1–30. https://doi.org/10.2514/6.2018-1390.c1
[9] Stanford B. Aeroelastic wing box stiffener topology optimization. Journal of Aircraft, 2018, vol. 55 (3) pp. 1244–1251. https://doi.org/10.2514/1.C034653
[10] Townsend S., Stanford B., Picelli R., Kim H.A. Structural optimization of plate-like aircraft wings under flutter and divergence constraints. AIAA Journal, 2018, vol. 56 (8) pp. 1–13. https://doi.org/10.2514/1.J056748
[11] Winyangkul S., Wansaseub K., Sleesongsom S., Panagant N., Kumar S., Bureerat S., Pholdee N. Ground structures-based topology optimization of a morphing wing using a metaheuristic algorithm. Metals, 2021, no. 11 (8), p. 1311. https://doi.org/10.3390/met11081311
[12] Song L., Gao T., Tang L., Du X., Zhu J., Lin Y., Shi G., Liu H., Zhou G., Zhang W. An all-movable rudder designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing. Computers & Structures, 2021, vol. 243, pp. 1–25. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2020.106405
[13] Wang X., Zhang S., Wan Z., Wang Z. Aeroelastic topology optimization of wing structure based on moving boundary meshfree method. Symmetry, 2022, vol. 14 (6) p. 1154. https://doi.org/10.3390/sym14061154
[14] Башин К.А., Торсунов Р.А., Семенов С.В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли. Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2017, № 51, с. 51–61. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2017.51.05
[15] Парафесь С.Г., Туркин И.К. Актуальные задачи аэроупругости и динамики конструкций высокоманевренных беспилотных летательных аппаратов. Москва, Изд-во МАИ, 2016, 184 с.