Оптимизация облегченной конструкции композитного крыла беспилотного летательного аппарата на основе алгоритма роя частиц

Авторы

Абдуллин И. Н.^*, Чэнь Ф. ^**, Тарантаева А. Р.^***

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия

*e-mail: ilfir528@mail.ru
**e-mail: 1609944784chen@gmail.com
***e-mail: aygultarantaeva@yandex.ru

Аннотация

На основе анализа композитного крыла беспилотного летательного аппарата (БПЛА) был предложен метод оптимизационного проектирования конструкции крыла с использованием метода роя частиц. Сначала, исходя из требований к проектированию БПЛА и основных технических характеристик крыла, определили двухлонжеронную многореберную конструкцию крыла. Затем, сочетая оптимизируемую область с методом оптимизации конструкции крыла БПЛА на основе алгоритма роя частиц, определили оптимальную структурную компоновку крыла. Сравнительный анализ результатов моделирования конструкции крыла до и после оптимизации показал, что масса крыла снизилась на 18,1%, при этом конструкция удовлетворяла проектным требованиям к прочностным и жесткостным характеристикам конструкции. Уменьшение массы конструкции на 18,1% позволило увеличить продолжительность полета БПЛА на 22%.

Ключевые слова:

оптимизация конструкции композитного крыла, беспилотный летательный аппарат, многокритериальная оптимизация, алгоритм роя частиц, суррогатная модель, модель Кригинга, метод поверхности отклика, радиальные базисные функции

Список источников

1. He H., Zhu G., He C., et al. Crashworthiness optimization based on Kriging metamodeling // Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2014. Vol. 46. No. 2, pp. 297-303. DOI: 1005-2615(2014)02-0297-07
2.  Chang Y., Liu X., Cheng W., et al. Research and application of multi⁃objective aircraft optimization system based on grid // Journal of Computer Research and Development. 2007. Vol. 44. No. 1, pp. 44-50.
3.  Wei Y., Wei W., Meiying Z. Comprehensive optimization design of topology, shape and size of large aspect ratio flying wing structure // Journal of Mechanical Strength. 2007. Vol. 27. No. 4, pp. 17-20.
4.  Fan X., Wu X., Ma L., et al. Optimization Design of Structure of Unmanned Aerial Vehicle Wing with Carbon Fiber Composite Thin Wall Material // Plastics Science and Technology. 2022. Vol. 50. No. 09, pp. 109-113. DOI:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.023
5.  Shen H., Chen G., Xia Y. Size optimization design of composite wing for UAV // Composite Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 335. No. 12, pp. 82-88. DOI: 10.19936/.enki.2096-8000.20211228.013
6.  Deng C., Jia H., Xue Z., et al. The Structure Optimization Design of A Composite UAV Wing // Machine Design and Research. 2018. Vol. 34. No. 3, pp. 35-40. DOI: 10.13952/j.cnki.jofmdr.2018.0096
7.  Chen Yl., Qin Jc., Shang Yz., et al. Aerodynamic characteristic analysis and layout optimization design for compound UAVs by using hybrid Fuzzy–PSO algorithm // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2019. Vol. 41. No. 1: 46. DOI: 10.1007/s40430-018-1547-0
8.  De Luca A., Caputo F. A review on analytical failure criteria for composite materials // AIMS Materials Science. 2017. Vol. 4. No. 5, pp. 1165-1185. DOI: 10.3934/matersci.2017.5.1165
9.  Маркин Л.В. Геометрические модели автоматизированной компоновки летательных аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22. № 1. С. 47-57. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=56690
10.  Туктаров С.А. Развитие методов и алгоритмов глобально-локальной оптимизации и расчета на прочность силовых авиационных конструкций: Дисс. ... канд. техн. наук. Жуковский, 2022. 148 c.
11.  Годовой отчет Государственной корпорации «Ростех». URL: https://rostec.ru/purchase/documents/
12.  Приказ Минпромторга России от 02.07.2021 N 2423 (ред. от 07.08.2023) «Об утверждении плана мероприятий по импортозамещению в промышленности композитных материалов (композитов) и изделий из них Российской Федерации».
13.  Федеральные авиационные правила «Сертификация авиационной техники, организаций и изготовителей. Часть 21» (ФАП-21).
14.  AC 23-19A – Airframe Guide for Certification of Part 23 Airplanes.
15.  Xiong F., Wang D., Ma Z., et al．Structure-material integrated multi-objective lightweight design of the front end structure of automobile body // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2018. Vol. 57, pp. 829–847. DOI: 10.1007/s00158-017-1778-1
16.  Eberhart R.C., Kennedy J. A new optimizer using particle swarm theory // 6th International Symposium on Micro Machine and Human Science (04-06 October 1995; Nagoya, Japan). DOI: 10.1109/MHS.1995.494215
17.  ASTM D3039/D3039M-2017 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.
18.  Балык В.М., Бородин И.Д. Выбор устойчивых проектных решений беспилотного летательного аппарата в условиях действий факторов неопределенности // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 1. С. 57-66. DOI: 10.34759/vst-2022-1-57-66
19.  Haghighi H., Sadati S.H., Dehghan S.M.M., et al. Hybrid Form of Particle Swarm Optimization and Genetic Algorithm For Optimal Path Planning in Coverage Mission by Cooperated Unmanned Aerial Vehicles // Journal of Aerospace Technology and Management. 2020. Vol. 12. DOI: 10.5028/jatm.v12.1169
20.  Chen S., Laefer D.F., Mangina E. State of Technology Review of Civilian UAVs // Recent Patents on Engineering. 2016. Vol. 10. No. 3, pp. 160-174. DOI: 10.2174/1872212110666160712230039
21.  Чэнь Л., Стрелец Д.Ю. Исследование применения суррогатной модели в задаче геометрической оптимизации крыла с учетом флаттера // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 1. С. 102-111.