Statikus és dinamikus aeroelasztikus szabás kompozit keveréssel és manőverterhelés enyhítésével

Absztrakt

Bevezetés

A nagy szállító repülőgépek szokásos szárnyszerkezeti méretezése általában szimmetrikus statikus manővereket vesz figyelembe, mint például a 2.5g felhúzás és - 1g lefelé irányuló manőverek, mivel a tervezés megterhelődik aeroelasztikus jelenségekkel együtt, mint a divergencia, a csapkodás és a csűrő hatékonysága (Torenbeek 2013). Kenway és mtsai. (2014) kimutatta, hogy a statikus manőverekhez optimalizált fémes, nagy szállító repülőgép szárny meghibásodhat, ha különálló széllökéseknek vetik alá, ami mögött az szükséges, hogy az optimalizálás során dinamikus terhelési eseteket vegyenek figyelembe. Werter (2017) hasonló eredményeket ért el egy nagy méretű szállító repülőgép szárnyával, és megmutatta, hogy a statikus terheléssel és kiegyensúlyozatlan rakodási sorrenddel optimalizált szárny mennyire hajlamos a meghibásodásra dinamikus terhelések mellett, mint a hagyományosabb rakodási sorrenddel tervezett szárny%/ ± 4530%/ 9010%]s). Végül a dinamikus terheléseket a repülőgép repülési dinamikája is befolyásolja, amint azt Reimer et al. (2015).

Bordogna és mtsai előzetes munkájában. (2017), a szerzők stratégiai javaslatot tettek az összetett regionális repülőgép-szárny optimalizálására a statikus és dinamikus aeroelasztikus terhelések, a keverési korlátok és a manőverterhelés enyhítése (MLA) szempontjából. A javasolt stratégiát, a többi kutató munkájával együtt, a DLR elfogadta és beépítette a MONA házon belüli eszközbe (Bramsiepe et al. 2018) azzal a céllal, hogy átfogó terheléselemzést végezzen és tervezzen egy benchmark aeroelasztikus modellt. az Airbus XRF1 (Vassberg és mtsai 2008) későbbi tanulmányaihoz.

Ez a cikk átfogóbb elemzést és nyomon követést kínál a Bordogna et al. (2017). A szerzők a keverési korlátok hatására koncentrálnak a kritikus terhelések azonosítására statikus és dinamikus terhelési eseteknek kitett regionális repülőgépszárny aeroelasztikus szabása során. Ezenkívül értékelik az ilyen korlátozásoknak a manőverterhelés enyhítésére gyakorolt hatását a kritikus terhelésekre is. Végül bemutatjuk a keverési korlátok hatását az optimális kialakításra, valamint a visszakészített rakássorozat „gyártásra kész” minőségét.

A dolgozat az alábbiak szerint oszlik meg. A 2. szakaszban a keverés fogalmát mutatjuk be a választott kompozit paraméterezési módszerrel együtt. A 3. szakasz bemutatja az ebben a munkában használt szárnymodellt és a figyelembe vett terheléseket. Ezután a 4. szakaszban az optimalizálási problémát és a stratégiát ismertetjük az egyenértékű statikus terhelés (ESL) fogalmával együtt. Végül az eredményeket és a következtetéseket az 5., illetve a 6. szakasz ismerteti.

Laminálási paraméterek tér és összetett keverési korlátozások

A nagy kompozit szerkezetek szakaszokra oszthatók, amelyeket később lokálisan optimalizálnak a könnyebb és jobban teljesítő szerkezetek elérése érdekében. Ez a helyi optimalizálás azonban jelentős eltérésekhez vezethet a szomszédos szakaszok vastagságában és egymásra rakásának sorrendjében, ami optimális megoldást eredményez, amelyből hiányzik a szerkezeti integritás. A réteg folytonosságának bizonyos fokának biztosítása érdekében a keverés definícióját először Kristinsdottir et al. (2001).

A lokálisan optimalizált kompozit szerkezetek kezelésének másik kihívása a tervezési változók nagy száma, arányos a szakaszok számával és az egyes szakaszok rétegeinek számával (Bettebghor 2011). A tervezési változók számának állandó értékre történő csökkentésére, a rakatolási sorozat vastagságától függetlenül, homogenizált merevségi paramétereket (azaz laminálási paramétereket) használunk. Ebben a szakaszban a kompozit paraméterezéshez használt laminálási paramétereket a 2.1. Szakasz vezeti be, míg a keverés különböző meghatározásait a 2.3. Szakasz, az ebben a munkában alkalmazott keverési korlátozások rövid bemutatását a 2.4. Szakasz tartalmazza.

Laminálási paraméterek

A laminálási paramétereket (LP) először Tsai és Hahn (1980) vezették be, és ezeket a kompozit laminátumok merevségi mátrixának folyamatos térben történő paraméterezésére használják. Állandó vastagságú diszkrét rétegekkel történő halmozáshoz (tréteg) és a réteg szöge (𝜃én), a laminálási paramétereket az (1) pont szerint definiáljuk. Ebben a cikkben csak szimmetrikus halmozási szekvenciákat veszünk figyelembe páros számú réteggel és állandó rétegvastagsággal. Ezért csak a membrán laminálási paraméterei (A) és hajlítás (D) merevségi mátrixokat vesznek figyelembe.

hol zén = -N/ 2 + én.

Laminálási paraméterekkel bármely szimmetrikus halmozási szekvencia nyolc folyamatos változóval reprodukálható, a laminátum vastagságával és az anyag invariáns mátrixaival együtt Γén. A laminálási paraméterek, a vastagság és az anyaginvariáns közötti kapcsolatot a következők írják le:

\ boldsymbol_ = \ balra [\ kezdődik U_ & 0 & 0 \\ 0 & -U_ & 0 \\ 0 & 0 & 0 \ end \ jobbra],

\ boldsymbol_ = \ balra [\ elején 0 & 0 & U_/2 \\ 0 & 0 & U_/2 \\ U_/2 & U_/2 & 0 \ end \ jobbra], $$

\ boldsymbol_ = \ balra [\ elején 0 & 0 & U_ \\ 0 & 0 & -U_ \\ U_ & -U_ & 0 \ end \ jobbra] $$

ahol az invariáns mátrixok (Γén, (3)) tartalmazza a Tsai-Pagano anyagi invariantusokat Uén. Az ilyen invariánsok tartalmazzák az egyirányú rétegmerevség információt. Ezért csak az anyag tulajdonságaitól függenek, és nem az egymásra rakás sorrendjétől, és levezethetők a csökkentett merevségű elemek mátrixából:

A (3) és (2) kombinálásával meg lehet kapni az ABD mátrix komponensei és a Tsai-Pagano anyaginvariánsok közötti kapcsolatokat.

Membránmerevség vizualizáció

A laminálási paramétereknek megvan az az előnyük, hogy a merevségmátrixot folyamatos formában írják le, és konvex teret határoznak meg (Grenestedt és Gudmundson 1993), amely alkalmas gradiens alapú optimalizálásra. Ezenkívül a mechanikai mennyiségek gyakran egyszerűen függenek a laminálási paraméterektől; például a kihajló terhelési tényezők a laminálási paraméterek konkáv függvényei (Bettebghor és Bartoli 2012). Ezenkívül bármely szimmetrikus halmozási szekvencia reprodukálható nyolc folyamatos változóval plusz a laminátum vastagsága mellett. Másrészt az LP-k használatához további optimalizálási lépésre van szükség, amely a folyamatos optimális tervezésből diszkrét rakatolási sorrendet kap. Ezt az extra lépést általában evolúciós algoritmusok hajtják végre. Ezért kétlépcsős optimalizálási stratégiára van szükség (lásd a 4.1.7. Szakaszt).

Bár a laminálási paraméterek számos előnyt kínálnak, nem egyenesen előre lehet rekonstruálni a paraméterek halmazához kapcsolódó fő merevség irányát. Dillinger és mtsai. (2013), hogy érzékelje az adott fő síkbeli merevség-eloszlását A mátrixban kiszámítható a komponenshez társított normalizált rugalmassági modulusa (\ (\ hat _ (\ theta) \)) A11 egy szöggel elforgatott tengely mentén 𝜃 a laminátum tengelyéhez képest: