Optimalizace tvaru křídla - Wing-shape optimization

Optimalizace tvaru křídla je softwarová implementace optimalizace tvaru primárně se používá pro konstrukci letadel. To umožňuje inženýrům vyrábět efektivnější a levnější návrhy letadel.

Dějiny

Optimalizace tvaru, jako softwarový proces a nástroj, se poprvé objevila jako algoritmus v roce 1995 a jako komerční software pro automobilový průmysl do roku 1998, jak uvedl F. Muyl.^[1] Vzhledem k věku automobilových a leteckých společností je tento software velmi nový. Problém nespočíval ve vědě stojící za procesem, ale spíše v schopnostech počítačového hardwaru. V roce 1998 vyvinul F. Muyl kompromis mezi přesnou přesností a výpočtovým časem, aby snížil odpor automobilu. Standardem jsou fáze GA genetický algoritmus iterace a fáze BFGS jsou přibližné výpočty určené k úspoře času. Uznal však, že výpočetní čas vyžadováno u stávajícího hardwaru, téměř dva týdny pro mírné vylepšení zjednodušeného důkazu o koncepčním modelu, což z něj činí neatraktivní pro komerční účely. Rovněž uznal, že zlepšení implementace modelování pro použití automatických částečných derivací může zlepšit výpočetní čas, zejména u specializovaného hardwaru. V roce 2000, po několika letech vývoje počítačového hardwaru, K. Maute ^[2] představil přesnější systém, který by mohl dostatečně rychle optimalizovat křídlo letadla pro komerční použití.

Metoda

Optimalizace tvaru křídla je od přírody iterativní proces. Nejprve je vybrán základní design křídla pro zahájení procesu; toto je obvykle křídlo vytvořené letečtí inženýři. Předpokládá se, že toto křídlo je přiměřeně blízké nejvhodnější konstrukci inženýrů. Dalším krokem je modelování tvaru a struktury křídla. Jakmile jsou zmapovány, software letí model v simulovaném vzdušném tunelu pomocí dobře vyvinutého výpočetní dynamika tekutin (CFD) rovnice. Výsledky testu dávají různé výkonové charakteristiky tohoto designu. Po dokončení software provede přírůstkové změny v podrobnostech struktury a tvaru, znovu vytvoří model a proletí nový model skrz větrný tunel. Pokud změny vedou k lepšímu výkonu křídla, software změny provede. Pokud ne, jsou změny vyhozeny a jsou provedeny různé změny. Změny se poté uloží jako nový pracovní model a cyklus se opakuje. Celý tento proces běží, dokud se pozorované změny neshodují v návrhu - například když jsou změny menší než 1 mm.^[3]

Výsledný design křídla však může být bohužel stejně dobrý jako výpočetní model.

Příklady

Tradiční

Příklad optimalizačního důkazu konceptu provedl v roce 2003 Leoviriyakit pomocí Boeingu 747-200.^[4] Pomocí výše uvedeného seznamu proměnných optimalizoval pouze pro jediný bod - koeficient zdvihu 0,42 a rychlost Mach 0,87, těsně nad křižováním. Jen s těmi několika proměnnými dokázal realizovat pokles o 12% táhnout a pokles hmotnosti křídla o 0,1%. Kód, který byl spuštěn, produkoval delší rozpětí, ale méně zametání než původní půdorys křídla. Zatímco redukce zpětného rázu ve skutečnosti zvyšuje odpor, také zvyšuje zdvih umožňující nižší AoA a prodloužené rozpětí křídel snižuje indukovaný odpor (vír špičky křídla), což má za následek čisté snížení odporu. Bohužel jeho optimalizovaný design používá příliš jednoduchý model; uvědomil si, že má více proměnných, jako např viskózní při zohlednění účinků by byl výsledný model daleko odlišný. Další hlavní omezení jediný bod přístup spočívá v tom, že optimalizuje křídlo pouze pro jednu rychlost a stav zvedání. I když mohl být odpor snížen při cestovní rychlosti, mohl být drasticky zvýšen při vzletu a přistání, což mělo za následek čistou ztrátu paliva pro leteckou společnost.

Tělo křídla

Tento proces lze také rozšířit, aby prozkoumal návrhy letadel s jedním křídlem a tělem. Letadla ve stylu křídla mohou zvětšit svůj náklad mnohem snadněji než tradiční design „trubek a prken“. Airbus využil tento přístup k prozkoumání konstrukčních možností budoucích velkých letadel v roce 2002.^[5] Jejich cíle však byly o něco složitější než původní návrh softwaru: letadlo potřebuje maximalizovat poměr zvedání a tažení, být podélně neutrální (nechtějí stoupat nahoru nebo dolů bez ocasu), mít maximum úhel útoku, mít minimum chata objem a tvar a mají maximální tloušťku na vnějších křídlech. Pomocí tří různých komponent rozšířili svůj výpočetní model tak, aby obsahoval co nejvíce omezení, včetně viskózních efektů. Tato metoda zahrnuje podstatně více výpočetního výkonu. Jejich počáteční zjištění ušetřila spoustu peněz při stavbě a testování - protože způsobuje nadzvukové proudění vzduchu, rázová vlna se tvoří na zadní části křídla, což drasticky zvyšuje odpor a snižuje vztlak. Po úpravě jejich cílů tak, aby poměr zvedání a tažení zůstal vysoký a vyrovnal tlak, poskytla simulace lepší design - což ukazuje, že tento nástroj je velmi přizpůsobivý dané situaci. Konečným výsledkem této studie bylo, že Airbus měl soubor návrhů profilů křídel, které jsou vhodné pro velmi velké letadlo s křídlovým tělem. To také prokázalo, že tyto metody jsou úspěšné při adaptaci na jakýkoli úkol, který by vyžadovaly.

Postprodukční změny

Tato metoda optimalizace lze také použít k vývoji postprodukční úpravy stávajícího křídla. V roce 2006 upravil Antony Jameson kód, aby zvýšil rychlost závodu P-51 Mustang.^[6] Tento cíl je stále jiný - Reno Air Race je přímý tah z jednoho bodu do druhého v relativně nízké nadmořské výšce. Cílem je zlepšit maximální rychlost k dosažení a vrtule -driven záznam. Vzhledem k tomu, že změna musí být nalepena na křídle, výrazně to omezuje možné změny. Problém je podobný předchozímu příkladu - nárůst rázové vlny. K dosažení tohoto cíle byl software omezen na nalezení řešení, které by mohlo narušit pouze tvar křídla směrem ven, pryč od řídicích ploch. Používat koeficient zdvihu 0,1 a rychlost Mach 0,78, software vytvořil hrbolek v přední části horní části křídla. Přerušení proudění vzduchu při této konkrétní rychlosti se vrací zpět na správnou vzdálenost, aby došlo k rozbití šoku a snížení odporu. I když se odpor letadla zvýšil pod 0,73 Mach, bylo to vyhozeno jako méně důležité než nejvyšší rychlost. Pokud tyto úpravy fungují podle očekávání, pak se ověří použití softwarového nástroje ke zlepšení stávajícího výrobního křídla bez opětovné výroby.

Vícebodová optimalizace

Přesto všechny tyto metody mají slabost - jsou vyladěny pro jednu konkrétní sadu podmínek a rychlosti. V roce 2007 představil Jameson další krok a novou metodu výpočtů.^[3] Aby zohlednil další podmínky, jako je vzlet, přistání, lezení a plavba, modelář vypočítá všechny tyto podmínky najednou, nikoli pouze jednu po druhé. Každému výpočtu přechodu g je přiřazena váha β. Položky s vyšší prioritou, jako je cestovní odpor, mají větší váhu. Přechod k určení celkové „ztráty“ nebo „zisku“ pro návrh se vytvoří součtem všech přechodů krát každé příslušné váhy. To to umožňuje, pokud změna drasticky zlepší výkon při vzletu, ale povede k mírnému zásahu do cestovního výkonu, cestovní zásah může přepsat zisk ze vzletu kvůli vážení. Nastavení simulace tímto způsobem může významně zlepšit návrhy vytvořené softwarem. Tato verze modeláře však přidává počátečním podmínkám ještě další složitost a mírná chyba jménem návrháře může mít na výsledný návrh výrazně větší vliv. Zlepšení efektivity výpočtu využívá výhod více proměnných. Tentokrát byly použity dva různé body Boeing 747-200 - 0,85 Mach a 0,87. Optimalizace pro dva body bohužel vedla k méně než 3% zlepšení oproti odporu a téměř žádnému zlepšení hmotnosti u základního designu. Ke kontrole své práce použil stejnou simulaci na jiném křídle letadla a získal podobné výsledky. Pozorovaný problém spočívá v tom, že změny, které podpořily jeden bod zájmu, byly přímo v rozporu s druhým a výsledný kompromis vážně brání dosaženému zlepšení. Jeho současný výzkum zahrnuje lepší způsob řešení rozdílů a dosažení zlepšení podobného optimalizaci jednoho bodu.

Reference