Решение задачи проектирования рациональной конструкции руля с использованием структурной и параметрической оптимизации

Авиационная и ракетно-космическая техника


Авторы

Куприянова Я. А.1*, Парафесь С. Г.2**

1. Долгопрудненское научно-производственное предприятие, ДНПП, пл., Собина, 1, Долгорпудный, 141700, Россия
2. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: janina.kuprianova@yandex.ru
**e-mail: s.parafes@mail.ru

Аннотация

Предложена методика рационального проектирования конструкции аэродинамического руля с учетом требований прочности, жесткости, аэроупругой устойчивости и минимума массы. Методика представлена в виде алгоритма, включающего топологическую и параметрическую оптимизацию. С помощью топологической оптимизации получен силовой каркас, отвечающий требованиям прочности. По результатам параметрической оптимизации по условию аэроупругой устойчивости определены параметры противофлаттерного балансира в виде усиленного носка. В ходе исследования найдено рациональное конструктивно-технологическое решение руля.

Ключевые слова:

цельноповоротный руль беспилотного летательного аппарата, SIMP-метод топологической оптимизации, конструктивно-технологическое решение, минимизация функции податливости, корпусно-рулевая форма флаттера, аэроупругость, параметрическая оптимизация

Список источников

  1.  Голубев И.С., Туркин И.К. (ред.). Беспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования. Изд. 3-е. М.: Изд-во МАИ, 2010. 654 с.
  2.  Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1991. 512 с.
  3.  Комаров В.А. Проектирование силовых схем авиационных конструкций // Актуальные проблемы авиационной науки и техники: сборник статей. М.: Машиностроение, 1984. С. 114–129.
  4.  Голубев И.С., Андреев В.В., Парафесь С.Г. Об одном подходе к решению задач структурно-параметрической оптимизации авиационных конструкций // Вестник Московского авиационного института. 1994. Т. 1. № 2. С. 3–8.
  5.  Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology optimization: Theory, Methods and Applications. Berlin: Springer, 2011. 384 p.
  6.  Zhang W.H., Zhou L. Topology optimization of self-supporting structures with polygon features for additive manufacturing // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2018. Vol. 334, pp. 56–78. DOI: 10.1016/j.cma.2018.01.037
  7.  Zhang K.Q., Cheng G.D., Xu L. Topology optimization considering overhang constraint in additive manufacturing // Computers & Structures. 2019. Vol. 212, pp. 86–100. DOI: 10.1016/j.compstruc.2018.10.011
  8.  Meng L., Zhang W.H., Quan D.L., et al. From Topology Optimization Design to Additive Manufacturing: Today’s Success and Tomorrow’s Roadmap // Archives of Computational Methods in Engineering. 2020. Vol. 27, pp. 805–830. DOI: 10.1007/S11831-019-09331-1
  9.  Xiong Y., Yao S., Zhao Z.-L., Xie Y.M. A new approach to eliminating enclosed voids in topology optimization for additive manufacturing // Additive Manufacturing. 2020. Vol. 32: 101006. DOI: 10.1016/j.addma.2019.101006
  10.  Пхио А., Семенов В.Н., Федулов Б.Н. Оптимизация трансформируемых конструкций летательных аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 1. С. 32–40.
  11.  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. № 3. С. 62-71.
  12.  Locatelli D., Mulani S.B., Kapania R.K. Wing-Box Weight Optimization Using Curvilinear Spars and Ribs (SpaRibs). Journal of Aircraft. 2011.  Vol. 48. No. 5, pp. 1671–1684. DOI: 10.2514/1.C031336
  13.  Wang Q., Lu Z., Zhou C. New topology optimization method for wing leading-edge ribs // Journal of Aircraft. 2011. Vol. 48. No. 5, pp. 1741–1748. DOI: 10.2514/1.C031362
  14.  Walker D., Liu D., Jennings A. Topology Optimization of an Aircraft Wing // 56th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (5–9 January 2015; Kissimmee, Florida). AIAA SciTech. DOI: 10.2514/6.2015-0976
  15.  Rinku A., Ananthasuresh G.K. Topology and Size Optimization of Modular Ribs in Aircraft Wings // 11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation (7-12 June 2015; Sydney, Australia).
  16.  Zhao Y., Guo W., Duan S., Xing L. A novel substructure-based topology optimization method for the design of wing structure // International Journal for Simulation and Multidisciplinary Design Optimization. 2017. Vol. 8. No. 2: A5.  DOI: 10.1051/smdo/2016013
  17.  Bontoft E.K., Toropov V.V. Correction: Topology Optimisation of Multi-Element Wingtip Devices // AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (8-12 January 2018; Kissimmee, Florida). DOI: 10.2514/6.2018-1390.c1
  18.  Stanford B. Aeroelastic Wingbox stiffener topology optimization // Journal of Aircraft. 2018. Vol. 55. No. 3, pp. 1244–1251.  DOI: 10.2514/1.C034653
  19.  Townsend S., Picelli R., Stanford B., et al. Structural optimization of platelike aircraft wings under flutter and divergence constraints // AIAA Journal. 2018. Vol. 56. No. 8. DOI: 10.2514/1.J056748
  20.  Wang X., Zhang S., Wan Z., Wang Z. Aeroelastic Topology Optimization of Wing Structure Based on Moving Boundary Meshfree Method // Symmetry. 2022. Vol. 14. No. 6: 1154. DOI: 10.3390/sym14061154
  21.  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 - 1 July 2022; Chicago, IL & Virtual).  DOI: 10.2514/6.2022-3725
  22.  Gomes P., Palacios R. Aerostructural topology optimization using high fidelity modeling // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2022. Vol. 65. No. 5: 137. DOI: 10.1007/s00158-022-03234-9
  23.  Kambayashi K., Kogiso N., Yamada T., et al. Multiobjective Topology Optimization for a Multi-layered Morphing Flap Considering Multiple Flight Conditions // Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 2020. Vol. 63. No. 3, pp. 90–100.  DOI: 10.2322/tjsass.63.90
  24.  Jensen P.D.L., Wang F., Dimino I., Sigmund O. Topology Optimization of Large-Scale 3D Morphing Wing Structures // Actuators. 2021. Vol. 10. No. 9: 217. DOI: 10.3390/act10090217
  25.  Gu X., Yang K., Wu M., et al. Integrated optimization design of smart morphing wing for accurate shape control // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. No. 1. pp. 135–147.  DOI: 10.1016/j.cja.2020.08.048
  26.  Winyangkul S., Wansaseub K., Sleesongsom S., et al. Ground Structures-Based Topology Optimization of a Morphing Wing Using a Metaheuristic Algorithm // Metals. 2021. Vol. 11. No. 8: 1311. DOI: 10.3390/met11081311
  27.  Song L., Gao T., Tang L., et al. An all-movable rudder designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing // Computers & Structures. 2021. Vol. 243. 106405. DOI: 10.1016/j.compstruc.2020.106405
  28.  Вадзинский Р. Статистические вычисления в среде Excel. СПб.: Питер, 2008. 608 с.
  29.  Келлер И.Э., Петухов Д.С. Критерии прочности и пластичности: учеб. пособие. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2020. 157 с.
  30.  Парафесь С.Г., Туркин И.К. Актуальные задачи аэроупругости и динамики конструкций высокоманевренных беспилотных летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 2016. 184 с.
  31.  Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. Изд. 2-е, перераб и доп. М.: Машиностроение, 1973. 616 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025