Оптимизация трансформируемых конструкций летательных аппаратов

Авиационная и ракетно-космическая техника

2024. Т. 31. № 1. С. 32–40.

Авторы

Пхио А. 1*, Семенов В. Н.2, Федулов Б. Н.3**

1. Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), МФТИ, Институтский пер., 9, Долгопрудный, Московская облаcть, 141701, Россия
2. Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), ул. Жуковского, 1, Жуковский, Московская область, 140180, Россия
3. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, Москва, 119991, Россия

*e-mail: okkarphyo501@gmail.com
**e-mail: Fedulov.b@mail.ru

Аннотация

Один из способов оптимизации эффективности летательных аппаратов – это использование возможности трансформирования их конструкций в зависимости от режима эксплуатации. В рамках таких конструкций широкое распространение получили приводы, выполненные из материалов на основе сплавов с памятью формы. Проблемы при использовании методов оптимизации для таких конструкций связаны с деформированием и изменением связей внутри силовых элементов при различных случаях нагружения. Статья посвящена методу оптимизации трансформируемых конструкций летательных аппаратов. Предложен расширенный метод топологической оптимизации, позволяющий учитывать любые изменения в исследуемых элементах.

Ключевые слова:

трансформируемая конструкция, сплавы с памятью формы, напряженно-деформированное состояние, оптимизация, топология

Библиографический список

  1. Zhao W., Kapania R. Bilevel programming weight minimization of composite f lying-wing aircraft with curvilinear spars and ribs // AIAA Journal. 2019. Vol. 57. No. 6, pp. 2594-2608. DOI: 10.2514/1.J057892

  2. Muc A., Flis J., Augustyn M. Optimal design of plated/shell structures under f lutter constraints—a literature review// Materials. 2019. Vol. 12. No. 24: 4215. DOI: 10.3390/ ma12244215

  3. Sferza M., Ninić J., Chronopoulos D. et al. Multidisciplinary Optimisation of Aircraft Structures with Critical Non-Regular Areas: Current Practice and Challenges // Aerospace. 2021. Vol. 8. No. 8: 223. DOI: 10.3390/aerospace8080223
  4. Семенов В.Н. Элементы научно-технического задела в механике конструкций перспективных летательных аппаратов // Вестник Нижегородского университета им. НИ Лобачевского. 2011. No 4–5. С. 2482–2484.
  5. Болдырев А. В. Структурная оптимизация крыльев с учетом требований прочности и жесткости // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. No 3. С. 15–21.
  6. Болдырев А.В., Павельчук М.В., Синельникова Р.Н. Развитие методики топологической оптимизации конструкции фюзеляжа в зоне большого выреза // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. No 3. С. 62–71.
  7. Stanford B.K. Aeroelastic Wingbox Stiffener Topology Optimization // Journal of Aircraft. 2018. Vol. 55. No. 3, pp. 1244-1251. DOI: 10.2514/1.C034653
  8. Krog L., Tucker A., Kemp M., Boyd A. Topology Optimisation of Aircraft Wing Box Ribs // 10th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference (30 August - 01 September 2004; Albany, New York). DOI: 10.2514/6.2004-4481
  9. du Plessis A., Broeckhoven C., Yadroitsava I. et al. Beautiful and Functional: a Review of Biomimetic Design in Additive Manufacturing // Additive Manufacturing. 2019. Vol. 27, pp. 408-427. DOI: 10.1016/j.addma.2019.03.033
  10. Das G.K., Ranjan P., James K.A. 3D Topology Optimization of Aircraft Wings with Conventional and Non-conventional Layouts: a Comparative Study // AIAA Aviation 2022 Forum (27 June – 01 July 2022; Chicago, IL & Virtual). DOI: 10.2514/6.2022-3725
  11. Aage N., Andreassen E., Lazarov B., Sigmund O. et al. Gigavoxel computational morphogenesis for structural design // Nature. 2017. Vol. 550. No. 7674, pp. 84-86. DOI: 10.1038/ nature23911
  12. Zhu J.H., Zhang W.H., Xia L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design // Archives of Computational Methods in Engineering. 2016. Vol. 23, pp. 595-622. DOI: 10.1007/s11831-015-9151-2
  13. Dinovitzer M., Miller C., Hacker A. et al. Structural Development and Multiscale Design Optimization of Additively Manufactured UAV with Blended Wing Body Configuration Employing Lattice Materials // AIAA Scitech 2019 Forum (7-11 January 2019; San Diego, California). DOI: 10.2514/6.2019-2048
  14. Concilio A., Dimino I., Pecora R. SARISTU: Adaptive Trailing Edge Device (ATED) design process review // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. No. 7, pp. 187-210. DOI: 10.1016/j.cja.2020.08.036
  15. Yang Y., Wang Z., Lyu S. Comparative study of two lay-up sequence dispositions for flexible skin design of morphing leading edge // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. No. 7, pp. 271-278. DOI: 10.1016/j.cja.2020.03.035
  16. Pflüger J., Breitsamter C. Experimental investigations of a full model with adaptive elasto-flexible membrane wings // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. No. 7, pp. 211-218. DOI: 10.1016/j.cja.2020.03.037
  17. Семенов В.Н. Конструкции самолетов замкнутой и изменяемой схем. – М.: Изд. отдел ЦАГИ, 2006. – 228 с.
  18. Semenov V.N. A comparison of the weight ration of the airframe designs of aircraft with a cantilever wing and with a closed wing system. NASA TM-77842, 1985.
  19. Jani J.M., Leary M., Subic A., Gibson M. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities // Materials & Design (1980-2015). 2014. Vol. 56, pp. 1078- 1113. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.11.084
  20. Lobo P.S., Almeida J., Guerreiro L. Shape Memory Alloys Behaviour: a Review // Procedia Engineering. 2015. Vol. 114, pp. 776-783. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.025
  21. Van Humbeeck J. Shape Memory Alloys: a Material and a Technology // Advanced engineering materials. 2001. Vol. 3. No. 11, pp. 837-850. DOI: 10.1002/1527-2648(200111)3:11<837::AID-ADEM837>3.0.CO;2-0
  22. Sreekumar M., Nagarajan T., Singaperumal M. et al. Critical review of current trends in shape memory alloy actuators for intelligent robots // Industrial Robot the international journal of robotics research and application. 2007. Vol. 34. No. 4, pp. 285-294. DOI: 10.1108/01439910710749609
  23. Мовчан А.А., Семенов В.Н., Ньюнт С. Проектирование силовозбудителя крутящего момента из сплава с памятью формы // Труды ЦАГИ. Выпуск 2664. – М.: Издательский отдел ЦАГИ, 2004. С. 220–230.
  24. Саганов Е.Б. Анализ напряженно-деформированного состояния торсионного актуатора из сплава с памятью формы при рабочем ходе в условиях стесненного деформирования // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22. No 1. С. 109–116.
  25. Costanza G., Tata M.E. Shape memory alloys for aerospace, recent developments, and new applications: A short review //Materials. 2020. Vol. 13. No. 8: 1856. DOI: 10.3390/ ma13081856
  26. Крахин О.И., Зенин В.А., Фатьянов С.А. Термомеханические двигатели и теплоэнергетические установки на основе сплавов с памятью // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. No 1. С. 120–130.
  27. Calkins T., Mabe J.H. Shape memory alloy based morphing aerostructures // Journal of Mechanical Design. 2010. Vol. 132. No. 11: 111012. DOI: 10.1115/1.4001119
  28. Patnaik S.N., Guptill J.D., Berke L. Merits and limitations of optimality criteria method for structural optimization // The International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1995. Vol. 38. No. 18, pp. 3087-3120. DOI: 10.1002/NME.1620381806
  29. Kim N.H., Dong T., Weinberg D., Dalidd J. Generalized Optimality Criteria Method for Topology Optimization // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. No. 7: 3175. DOI: 10.3390/APP11073175
  30. Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology optimization. Theory, methods, and applications. - 2nd ed. ‎- Springer, 2011. 384 p.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024