Оптимизация конструкции крыла сверхзвукового пассажирского самолета второго поколения с целью минимизации массы при ограничениях по прочности и устойчивости

Авиационная и ракетно-космическая техника


Авторы

Погосян М. А.*, Широков М. В.**, Стрелец Д. Ю.***

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: kaf101@mai.ru
**e-mail: Gittwell@outlook.com
***e-mail: maksmai33@gmail.com

Аннотация

В статье рассматривается оптимизация конструкции крыла сверхзвукового пассажирского самолета второго поколения (СПС-2) с целью минимизации массы при выполнении требований прочности и устойчивости. Используется подход, основанный на модели с «размазанными» ребрами жесткости, позволяющий упростить процесс оптимизации без перестроения расчетной сетки. При оптимизации проводится с учитываются различные эксплуатационные нагрузки, а также критические случаи отказа конструкции, включая потерю устойчивости. Для учета множества ограничений применяется подход многоуровневого агрегирования Крайссельмейера–Штайнхаузера. Градиентные методы оптимизации обеспечивают эффективный учет большого количества проектных переменных. Методика позволяет получить конструкцию крыла, обладающую минимальной массой удовлетворяющую требованиям прочности и устойчивости. Оптимизация проведена с учетом анизотропных свойств конструкционных материалов и с применением метода конечных элементов. 

Ключевые слова:

оптимальное проектирование, сверхзвуковой пассажирский самолет, минимизация массы, композитное крыло, агрегирование Крайссельмейера–Штайнхаузера, градиентные методы оптимизации, статическая прочность, потеря устойчивости, метод конечных элементов

Список источников

  1. Kozelkov A.S., Strelets D.Yu., Sokuler M.S., et al. Application of Mathematical Modeling to Study Near-Field Pressure Pulsations of a Near-Future Prototype Supersonic Business Aircraft // Journal of Aerospace Engineering. 2022. Vol. 35. No. 1. DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001373
  2.  Горбовской В.С., Кажан А.В., Кажан В.Г. и др. Расчетные исследования тяговых характеристик сопла сверхзвукового пассажирского самолета с помощью методов вычислительной газовой динамики // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 4. С. 7-16. DOI: 10.34759/vst-2019-4-7-16
  3.  Dukhnovskiy D.A., Lobkovskiy I.I., Strelets D.Y. Parametric Analysis of Design Characteristics of Supersonic Passenger Aircraft // In book: Strelets D.Y., Korsun O.N. (eds) Recent Developments in High-Speed Transport. Springer, Singapore: Springer Aerospace Technology, 2023, pp. 171-183. DOI: 10.1007/978-981-19-9010-6_15
  4.  Азиков Н.С., Алипов А.Е., Косарев В.А. Проектирование подкрепленных композитных панелей // Авиационная промышленность. 2013. № 3. С. 35-39.
  5.  Бадрухин Ю.И., Терехова Е.С. Рациональное проектирование тонкостенных несущих панелей из слоистого композита при комбинированом нагружении // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 4. С. 130–139. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=177614
  6.  Бойцов Б.В., Гавва Л.М. Параметрический анализ напряженно-деформированного состояния конструктивно-анизотропных панелей из композиционных материалов. Математическая модель // Качество и жизнь.  2017. № 2(14). С. 84-89.
  7.  Митрофанов О.В. Проектирование несущих панелей авиационных конструкций по закритическому состоянию. М.: МАИ (НИУ). 2020. – 160 с. ISBN 978-5-4316-0757-8
  8.  Nemeth M.P. A Treatise on Equivalent-Plate Stiffnesses for Stiffened Laminated-Composite Plates and Plate-Like Lattices. Nasa Technical Reports Server, 2013. 154 p. 
  9.  Богданович А.Е., Кошкина Т.Б. Выпучивание цилиндрической оболочки с кольцевими ребрами жесткости при осевой динамической нагрузке // В кн.: Электродинамика и механика сплошных сред. Применение численных методов: Межвуз. сб. науч. тр. Рига: Изд-во ЛГУ, 1981. С. 103-122.
  10.  Slinchenko D., Verijenko V.E. Structural analysis of composite lattice shells of revolution on the basis of smearing stiffness // Composite Structures. 2001. Vol. 54. No. 2-3, pp. 341-348. DOI: 10.1016/S0263-8223(01)00108-8
  11.  Погорелов В.И. Строительная механика тонкостенных конструкций. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 528 с.
  12.  Kreisselmeier G., Steinhauser R. Application of Vector Performance Optimization to a Robust Control Loop Design for a Fighter Aircraft // International Journal of Control. 1983. Vol. 37. No. 2, pp.  251–284.
  13.  Kennedy G.J., Kenway G.K.W., Martins J.R.R.A. High Aspect Ratio Wing Design: Optimal Aerostructural Tradeoffs for the Next Generation of Materials // 52nd Aerospace Sciences Meeting (13-17 January 2014; National Harbor, Maryland).  DOI: 10.2514/6.2014-0596
  14.  Васильев В.В., Тарнопольский Ю.М. (ред.). Композиционные материалы: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
  15.  Муйземнек А.Ю., Карташова Е.Д. Механика деформирования и разрушения полимерных слоистых композиционных материалов: Учебное пособие. Пенза: Изд-во ПГУ, 2017. 56 с.
  16.  Tsai S.W.W., Wu E.M. A general theory of strength for anisotropic materials // Journal of Composite Materials. 1971. Vol. 5. No. 1, pp. 58–80. DOI: 10.1177/002199837100500106
  17.  Stroud W.J., Agranoff N. Minimum-mass design of filamentary composite panels under combined loads: Design procedure based on simplified buckling equations.  Technical Report NASA TN D-8257. NASA Langley Research Center, Hampton, VA, 1976.
  18.  Lambe A.B., Kennedy G.J., Martins J.R.R.A. An evaluation of constraint aggregation strategies for wing box mass minimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2017. Vol. 55. No. 1, pp. 257–277. DOI: 10.1007/s00158-016-1495-1
  19.  Peter J.E.V., Dwight R.P. Numerical Sensitivity Analysis for Aerodynamic Optimization: A Survey of Approaches // Computers & Fluids. 2010. Vol. 39. No. 3, pp. 373–391. DOI: 10.1016/j.compfluid.2009.09.013
  20.  Lambe A.B., Martins J.R.R.A. Extensions to the design structure matrix for the description of multidisciplinary design, analysis, and optimization processes // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2012. Vol. 46, pp. 273–284. DOI: 10.1007/s00158-012-0763-y 
  21.  Strelets D.Yu., Lavrishcheva L.S., Staroverov N.N., et al. Procedure for Three-Dimensional Parametric Optimization of the Aerodynamic Layout of a Supersonic Passenger Aircraft Using Flypoint Parametrica // Russian Engineering Research. 2024. Vol. 44, pp. 1433–1440. DOI: 10.3103/S1068798X24702551
  22.  Гуняев Г.М., Чурсова Л.В., Комарова О.А. и др. Конструкционные полимерные угленанокомпозиты − новое направление материаловедения // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. № 12. С. 2–9.
  23.  Чепурных И.В. Прочность конструкций летательных аппаратов: Учебное пособие. Комсомольск-на-Амуре: Изд-во КнАГТУ, 2013. 137 с.
  24.  Kennedy G.J., Martins J.R.R.A. A parallel finite-element framework for large-scale gradient-based design optimization of high-performance structures // Finite Elements in Analysis and Design. 2014. Vol. 87, pp. 56-73. DOI: 10.1016/j.finel.2014.04.011

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025