Multidisziplinäre Optimierung von Flugzeugflügeln

Abstract

Ziel des Vortrages ist die Darstellung einer Methode zur Optimierung von aerodynamischen Flächen im Flugzeugbau, wie Flügel oder Leitwerke, hinsichtlich ihrer Planform und der tragenden Struktur. Durch simultane Variation der Planform und der Wandstärken der Struktur, wird eine Zielfunktion, beispielsweise das Gewicht, minimiert. Dabei werden aeroelastische, aerodynamische, fertigungstechnische und strukturmechanische Restriktionen eingehalten. Die Optimierung wird nach dem Drei-Säulen-Konzept aufgebaut. Zur Realisierung dieses Konzeptes wurde ein konstruktiver Geometrieentwurfsprozess entwickelt, der die Beibehaltung konstruktionstypischer Aspekte des Aufbaus der tragenden Struktur im Optimierungsprozess gewährleistet. Dabei werden Parametrisierungen mit analytischen Ansatzfunktionen der Geometrie des Flugzeugflügels verwendet, ausgehend von der äußeren aerodynamischen Oberfläche bis hin zu den Bauteilen des strukturellen Aufbaus, wie Deckhäute, Rippen und Holme. Die ebenfalls integrierte Parametrisierung der Wandstärken mit Bézier-Spline Flächen ermöglicht neben realistischeren Wandstärkenverteilungen zudem eine Berücksichtigung fertigungstechnischer Randbedingungen. Dieser Ansatz der so parametrisierten Geometrien ist die Basis für die geometrischen Anteile der nachfolgenden gekoppelten Simulationsverfahren der Aerodynamik und der Strukturrechnung. Die Simulation des Strukturverhaltens bei ausgewählten Lastfällen folgt ebenfalls einem entwickelten Prozess, der auch das aeroelastische Verhalten der Struktur berücksichtigt. Um ein effizienteres Optimierungsverhalten zu erzielen, werden mit der Kreisselmeier-Steinhauser Funktion bereichsweise Restriktionen zusammengefasst. Parameterstudien und Optimierungsbeispiele zeigen abschließend die Funktionalität der entwickelten Optimierungsmethode.