Lightworks - MDO of a Composite Aircraft Wing

Abstract

Insbesondere im Zuge aktueller Entwicklungen zu einer klimafreundlicheren Luftfahrt existiert ein großer Bedarf an numerischen Optimierungstools zur Vorhersage und Bewertung der Effizienz von entsprechenden Schlüsseltechnologien. Die Bewertung neuer, radikaler Bauweisen kann dabei nur auf Gesamtflugzeugebene unter Einbeziehung sämtlicher Disziplinen wie Aerodynamik, Aeroelastik, Antriebstechnik, Strukturverhalten etc. erfolgen, um Kopplungseffekte zu berücksichtigen. An Tools die zum Overall-Aircraft-Design-Prozess beitragen werden hohe Ansprüche an Performance und Recheneffizienz gestellt, um die Berechenbarkeit großer Optimierungsprobleme mit tausenden Designvariablen in endlicher Zeit zu realisieren. Auf Basis dieser Anforderungen wurde am DLR das lightworks-Framework für die Strukturoptimierung entwickelt. Zentrale Aufgabe von lightworks ist die Gradienten-basierte Minimierung der Gesamtasse von dünnwandigen Strukturen, wie Flügeln, Rotorblättern und weiteren Leichtbaukomponenten (Fig.1). lightworks stellt für die Bewertung der Struktur eine umfassende Parametrisierung bereit, so dass auch Faserverbundeigenschaften optimal genutzt werden können. Die Architektur des python-basierten Frameworks wurde von den Hauptprozess-Schritten der Optimierung abgeleitet, die in separaten Modulen umgesetzt wurden. Das der Optimierung zugrundeliegende Engineering Model repräsentiert dabei das mechanische Problem und stellt die Designparameter für die Optimierung bereit. Der Flügel wird hier über Paneele (Beulregionen in einem Rippenfeld) und Materialregionen (Regionen gleicher struktureller Eigenschaften) beschrieben. Im Constraint Model werden für die Paneele die mechanischen Grenzen wie Festigkeit und Stabilität analytisch ausgewertet. Interne Lastzustände für die Auswertung der Design-Kriterien werden für jedes Paneel über einen beliebigen Solver bereitgestellt, der über eine Schnittstelle gekoppelt werden kann. So können sowohl schnelle analytische Tools für den Vorentwurf als auch numerische FE-basierte Solver für detailliertere Auslegungs-Fragestellungen in späteren Designphasen herangezogen werden. Das Optimisation Model übersetzt das zuvor beschriebene physikalische System in eine mathematische Form, die für den numerischen Optimierer interpretierbar ist. Dazu stellt es die Gradienten, die Zielfunktion und die Designparameter bereit und übernimmt das Update des strukturellen Systems auf Basis eines neuen Parameter-Sets durch den Optimierer für jede Iteration. Der hohe Grad an analytischen Methoden sowie eine Parallelisierung von Teilprozessen, wie der Bestimmung von Gradienten, gewährleistet den effizienten Einsatz von Rechenressourcen und erlaubt eine Skalierung auf Hochleistungsrechnern. Die vorgestellten Methoden werden anhand einer multidisziplinären Flügelentwurfskette demonstriert, wie sie im Rahmen des DLR-Projekt EXACT (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) zur Bewertung von Flugzeugkonzepten für das elektrische Fliegen implementiert wurde.