projekt/ncn/2011
Streszczenie projektu
Multidyscyplinarne modelowanie aerosprężystości z optymalizacją strukturalną
Umowa – New Agreement – PUT – ILOT
New Agreement – PUT – ILOT
Główna idea projektu zakłada połączenie analizy aerosprężystości i inspirowanej biologicznie optymalizacji strukturalnej w zastosowaniu do struktur lotniczych. Plan pracy bazuje na wcześniejszych badaniach dotyczących optymalizacji strukturalnej jak również wykorzystuje istniejące środowisko obliczeniowe dla analizy aerosprężystości. W projekcie proponowane jest zbudowanie multidyscypliarnego numerycznego systemu obliczeniowego. Biomimetyczny system optymalizacji strukturalnej, oparty na zasadzie stałej gęstości energii odkształcenia na powierzchni struktury zostanie włączony w strukturę systemu aerosprężystego, umożliwiając przeprowadzenie optymalizacji strukturalnej przy uwzględnieniu wzajemnego oddziaływania płynu i odkształcającej się struktury. Wykorzystane zostaną przy tym unikalne właściwości optymalizacji strukturalnej bazującej na zjawisku adaptacyjnej przebudowy kości beleczkowej. Takie podejście pozwoli na zbudowanie modelu numerycznego dla analizy problemów aerosprężystych, prowadzące do jednoczesnego optymalizowania wielkości, kształtu i topologii wewnętrznej struktury konstrukcji lotniczych.
Ze względu na istniejące w zespole doświadczenie z zakresu techniki lotniczej, a szczególnie obliczeń aerosprężystych oraz prace badawcze w zakresie optymalizacji strukturalnej, jako kierunek badań wybrano problem wewnętrznej struktury skrzydła samolotu. Problem ten jest obecnie intensywnie badany przez firmy lotnicze. Efektywność zastosowanych metod jest na tyle duża, że procedury optymalizacyjne stały się już stałym elementem procesu projektowania wspomaganego komputerowo. Dobrym przykładem jest tutaj firma Airbus, której najnowszy produkt, samolot A-380 został zaprojektowany z wykorzystaniem szerokiego spektrum procedur optymalizacyjnych wprowadzanych do procesu projektowania wspomaganego komputerowo [Allen M., Maute K., Reliability-Based Design Optimization of Aeroelastic Structures, Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 27, pp. 228-242, 2004, Krog L., Tucker A., Kemp M., and Boyd R., Topology optimization of aircraft wing box ribs, AIAA Paper 2004-4481, 2004, Schramm U., Zhou M., Recent Developments in the Commercial Implementation of Topology Optimization, IUTAM Symposium on Topological Design Optimization of Structures, Machines and Materials, Springer Verlag, pp. 239-248, 2006] W procesie projektowania w firmie Airbus wykorzystuje się optymalizację topologiczną oraz optymalizację kształtu i rozmiaru. Oba procesy (ze względu na używane metody optymalizacji i oprogramowanie) są wyraźnie rozdzielone. Najpierw przeprowadza się optymalizację topologiczną, a następnie, po wprowadzeniu jej wyników do systemu CAD, optymalizację parametryczną rozmiaru i kształtu. W zakresie projektowania mechanicznego interesującym kierunkiem rozwoju jest sprzężenie procedury optymalizacyjnej ze środowiskiem obliczeń aerosprężystych. Jest to naturalne rozwinięcie połączonej analizy przepływowo-strukturalnej pozwalające na uzyskanie znacznie lepszych rozwiązań konstrukcyjnych. Jest to również niezbędne ze względu na istotne różnice powstające w przypadku uwzględniania bądź tez nie faktycznych odkształceń struktury skrzydła [Maute K., Allen M., Conceptual design of aeroelastic structures by topology optimization, Struct Multidisc Optim 27, pp. 27-42, 2004, Maute K., Reich G., An Integrated Multi-disciplinary Topology Optimization Approach for Adaptive Wing Design. AIAA Journal of Aircraft, 43(1), pp. 253 - 263, 2006]. Topologia struktury dla przypadku uwzględniającego oddziaływania wzajemne przepływu i struktury jest zupełnie inna, niż w przypadku założenia stałego rozkładu ciśnienia na powierzchni skrzydła. W Zakładzie Metod Projektowania Maszyn Instytutu Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej zbudowano system do obliczeń aerosprężystych [Roszak R., Posadzy P., Stankiewicz W., Morzyński M., Fluid structure interaction for large scale complex geometry and non-linear properties of structure, Archives of Mechanics, vol. 61 (1), pp.1-24, 2009]. Opracowano też biomimetyczny system optymalizacji strukturalnej, oparty na zasadzie stałej gęstości energii odkształcenia na powierzchni struktury, bazujący na zjawisku adaptacyjnej przebudowy kości beleczkowej [Nowak M., A generic 3-dimensional system to mimic trabecular bone surface adaptation, Computer Methods in Biomechanics and Biomechanical Engineering, 9(5), pp. 313-317, 2006, Nowak. M, Structural optimization system based on trabecular bone surface adaptation, Struct Multidisc Optim 32, pp. 241-251, 2006].
Celem zasadniczym projektu jest właśnie połączenie obu obszarów badań i zbudowanie multidyscypliarnego, numerycznego systemu obliczeniowego. Wykorzystanie podejścia rozpatrywanego w projekcie umożliwi połączenie optymalizacji topologii, kształtu i rozmiaru w jednej procedurze optymalizacyjnej. Należy zaznaczyć, że w biomimetycznej metodzie optymalizacji strukturalnej nie ma żadnych założeń dotyczących topologii poszukiwanego rozwiązania.
Dla sprawdzenia założeń projektu przeprowadzono wstępne analizy optymalizacji wewnętrznej struktury skrzydła samolotu w środowisku aerosprężystym, które potwierdziły możliwość budowy systemu multidyscyplinarnego.
Główne prace będą wykonywane przez pracowników Zakładu Budowy Maszyn Metody Politechniki Poznańskiej. Planowane jest współpraca z Instytutem Lotnictwa w Warszawie w obszarze analizy metod, materiałów, przepisów i regulacji rządowych w odniesieniu do projektowania konstrukcji lotniczych. Współpraca ta powinna umożliwić stworzenie efektywnych procedur numerycznych oraz pomóc określić właściwy kierunek badań w zakresie projektowania wewnętrznej struktury samolotu.
Rezultaty realizacji projektu powinny stanowić nową jakość w projektowaniu struktury wewnętrznej w wyniku połączenia analizy aerosprężystej i optymalizacji strukturalnej:
- aspekt badawczy realizacji projektu – opracowanie nowego podejścia do optymalizacji strukturalnych elementów konstrukcyjnych samolotu z uwzględnieniem analizy aerosprężystości,
- aspekt numeryczny realizacji projektu – rozwój zintegrowanego, równoległego systemu obliczeniowego; usprawnienie procedur wymiany danych; opracowanie równoległego generatora siatki elementów skończonych,
- aspekt techniczny realizacji projektu – opracowanie nowych metod konstruowania elementów struktury wewnętrznej samolotu.
Aspekt edukacyjny realizacji projektu. Projekt będzie realizowany przez pracowników naukowych Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej i Instytutu Lotnictwa w Warszawie. Studenci i doktoranci Politechniki Poznańskiej zostaną włączeni do zespołu realizującego projekt. Planowana jest realizacja dwóch prac doktorskich ściśle związanych z tematyką projektu.