Aero-structural optimization of joined-wing aircraft

• Autorzy: Kalinowski M.

Warianty tytułu

PL

Aerodynamiczno-strukturalna optymalizacja samolotu w układzie połączonych skrzydeł

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Joined-wing aircraft due to its energy characteristics is a suitable configuration for electric aircraft when designed properly. However, because of the specific for this aircraft phenomenons (e.g. static indeterminacy of structure, aerodynamic interference of lifting surfaces) it demands more complicated methods to model its behavior than a traditional aircraft configurations. For these reasons the aero-structural optimization process is proposed for joined-wing aircrafts that is suitable for preliminary design. The process is a global search, modular algorithm based on automatic geometry generator, FEM solver and aerodynamic panel method. The range of aircraft was assumed as an objective function. The algorithm was successfully tested on UAV aircraft. The improvement of 19% of total aircraft range is achieved in comparison to baseline aircraft. Time of evaluation of this global search algorithm is similar to the time characteristic for local optimization methods. It allows to reduce the time and costs of preliminary design of joined-wing

PL

Układ połączonych skrzydeł ze względu na jego charakterystykę energetyczną jest odpowiednią konfiguracją dla samolotów z napędem elektrycznym pod warunkiem, że został on zaprojektowany prawidłowo. Samolot taki jednak ze względu na charakterystyczne dla niego zjawiska (np. statyczna niewyznaczalność struktury, aerodynamiczna interferencja płatów nośnych) wymaga bardziej złożonych metod obliczeniowych by zamodelować jego zachowanie niż w przypadku klasycznych konfiguracji samolotu. Z tych powodów zaproponowany został proces optymalizacji aerodynamiczno-strukturalnej samolotu w układzie połączonych skrzydeł, odpowiedni dla projektowania wstępnego. Proces ten to modułowy algorytm globalnego przeszukiwania składający się z generatora geometrii, programów obliczeń strukturalnych metodą MES i obliczeń aerodynamicznych metodą panelową. Za funkcję celu przyjęto zasięg samolotu. Algorytm ten został z powodzeniem przetestowany na przypadku samolotu bezzałogowego. Uzyskano 19% wzrostu całkowitego zasięgu w stosunku do konfiguracji podstawowej. Czas wykonywania tego algorytmu o charakterze globalnym jest zbliżony do czasów charakterystycznych dla optymalizacji algorytmami lokalnymi. Pozwala to na zredukowanie czasu i kosztu projektowania wstępnego samolotu w układzie połączonych skrzydeł.

Słowa kluczowe

EN

joined-wing; multidyscyplinary optimization; preliminary design

PL

układ połączonych skrzydeł; optymalizacja multidyscyplinarna; projektowanie wstępne

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2017
• Tom: Nr 4 (249)
• Strony: 48--63
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Kalinowski M.

• Institute of Aviation, Aleja Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Prandtl, L.: Induced drag of multiplanes, 1924, NACA TN 182
• [2] Wolkovitch, J., 1986, “The Joined Wing: An Overview”, Journal of Aircraft, 23(3), pp. 161-178.
• [3] Gallman, J., Smith, C., Kroo, I., 1993, “Optimization of Joined-Wing Aircraft”, Journal of Aircraft, 30(6), pp. 897-905.
• [4] Gagnon, H., Zingg, D., 2015, “Aerodynamic Optimization Trade Study of a Box-Wing Aircraft Configuration”, 56th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Kissimmee.
• [5] Kalinowski, M., 2011, „Koncepcja doboru struktury skrzydła samolotu w układzie połączonego skrzydła” (“Conceptual design of wing structure for joined wing aircraft”), M. S. thesis, Warsaw University of Technology.
• [6] Kalinowski, M., 2015, “Structural Optimization of Box Wing Aircraft”, Archive of Mechanical Engineering, 62(1), pp. 45-60.
• [7] Kim, Y., Park, G., Kolonay, R., Blair, M., Canfield, R., 2008, “Nonlinear Response Structural Optimization of a Joined Wing Using Equivalent Loads”, AIAA Journal, 46(11), pp. 2703-2712.
• [8] Bindolino, G., Ghiringhelli, G., Terraneo, M., 2010, “Multilevel Structural Optimization for Preliminary Wing-Box Weight Estimation”, Journal of Aircraft, 47(2), pp. 475-489.
• [9] Sivaji, R., Marisarla, S., Narayanan, V., Kaloyanova, V., Ghia, U., Ghia, K., 2003, “Aerodynamic and Structural Analyses of Joined Wings of Hale Aircraft”, New Developments in Computational Fluid Dynamics: Proceedings of the Sixth International Nobeyama Workshop on the New Century of Computational Fluid Dynamics, Nobeyama.
• [10] Rasmussen, C., Canfield, R., Blair, M., 2006, “Joined-Wing Sensor-Craft Configuration Design”, Journal of Aircraft, 43(5), pp. 1470-1478.
• [11] Cavallaro, R., 2008, “A code for Surface Modeling and Grid Generation Coupled to a Panel Method Aerodynamic Configuration Design”, M.S. thesis, University of Pisa.
• [12] Straathof, M., 2012, “Shape Parametrization in Aircraft Design: A Novel Method, Based on B-Splines”, Ph.D. thesis, Delft University of Technology.
• [13] Dacko, A., Ożóg, R., 2014, “Wing Loads Modeling for Aircraft Structural FE Analysis”, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, 2, pp. 108-111.
• [14] Dacko, A., Dawood, A., 2015, “Strength and Buckling Analysis of a Composite Wing Structure Using MSC.PATRAN and MSC.NASTRAN”, International Scientific Journal. Theoretical &Applied Science, 28(8), pp. 14-31.
• [15] Certification Specifications for Very Light Aeroplanes CS-VLA, 2009, European Aviation Safety Agency.
• [16] http://www.calculix.de/.
• [17] Magnus, A., Epton, M., 1980, “A Computer Program for Predicting Subsonic or Supersonic Linear Potential Flows About Arbitrary Configurations Using A Higher Order Panel Method, Vol. I. Theory Document (Version 1.0)”, NASA Contractor Report 3251.
• [18] Bertin, J., Cummings, R., 2009, “Aerodynamics for engineers”, United States Air Force Academy.
• [19] Cebeci, T., Bradshaw, P., 1977, “Momentum Transfer in Boundary Layers”, McGraw-Hill, New York.
• [20] Valarezo, W., Chin, V., 1994, “Method for the Prediction of Wing Maximum Lift”, Journal of Aircraft, 31(1), pp. 103-109.
• [21] Galiński, C., Hajduk, J., 2015, “Assumptions of the Joined Wing Flying Model Programme”, Prace Instytutu Lotnictwa, 238(1), pp. 7-21.

Uwagi

EN

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).