Automatisierte Generierung von numerischen Simulationsmodellen aus Flugzeugvorentwurfsdaten mit Hilfe eines wissensbasierten Ansatzes

Kurzfassung

Zur Erfüllung der Anforderungen des klimaneutralen Fliegens, der Verbesserung des Passagierkomforts und der Minimierung von Lärmemissionen im Luftverkehr ist der Einsatz von innovativen und nachhaltigen Technologien gefordert, die wesentliche Auswirkungen auf den Flugzeugentwurf haben. Dies erfordert die Entwicklung von neuartigen Flugzeugkonzepten, die zur schnellstmöglichen Realisierung mittels numerischer Simulationen multidisziplinär zu bewerten sind. Dazu wird die automatisierte Generierung von disziplinabhängigen, dedizierten Modellen unterschiedlicher Fidelitätsgrade vorausgesetzt, deren Grundlage Vorentwurfsdaten im Luftfahrzeugschema CPACS (Common Parametric Aircraft Configuration Schema) bilden. Im Kontext des Flugzeugvorentwurfes stehen im Allgemeinen nur begrenzte Informationen zur Verfügung. Um die disziplinabhängige Modellgenerierung sowie die Durchführung von Analysen für zuverlässige Vorhersagen zu ermöglichen, gilt es diese Vorentwurfsdaten mit spezifischem Wissen anzureichern. In diesem Kontext werden in der vorliegenden Studienarbeit Modellierungsvorschriften in Form von Regeln im Rahmen einer wissensbasierten Entwurfsmethodik entwickelt, die das wissensbasierte Werkzeug FUGA (Fuselage Geometry Assembler) erweitern. Der Fokus liegt dabei auf der Bereitstellung von Modellen für vibroakustische Finite Elemente Analysen zur zuverlässigen Vorhersage des Kabinenlärms. Zu diesem Zweck werden Regeln zur detaillierten Modellierung des Rumpfes und der Kabine definiert. Diese umfassen die Implementierung der Fenster inklusive Verstärkungsrahmen im Modell der Rumpfaußenhaut, der Druckschotte, der Wasserstofftanks sowie die Erweiterung der Modellierung der Sekundärkavität mit zusätzlicher Isolierung. Zur Berücksichtigung der Fenstergeometrien erweist sich insbesondere die Vernetzung als Herausforderung, welche zum Erhalt hoher Netzqualitäten lokale Netzoptimierungen erfordert. Diese beinhalten die Definition speicher- und rechenintensiver Netzgrößenfelder sowie die Projektion von Stringer- und Spantkurven auf die Rumpfoberfläche. Die Fähigkeit der Modellgenerierung vollständiger Rumpfmodelle wird mit der Implementierung der Druckschotte erweitert. Die Anbindung der Druckschotte an die Rumpfstruktur erfolgt mittels starrer Verbindungselemente, die eine unabhängige Vernetzung mit hoher Elementqualität der einzelnen Bauteile erlauben. Diese Anbindung wird ebenfalls für die Wasserstofftanks genutzt, die als erster Ansatz für eine speicher- und recheneffiziente Implementierung mittels Punktmassen abgebildet werden. Die Voraussetzungen zur Erweiterung des Wissens um neuartige Produktarchitekturen schafft hierbei die wissensbasierte Entwurfsmethodik. Darüber hinaus wird die Modellierung der Isolierungs-, Bilgen- und verbleibender sekundärer Luftkavität auf Grundlage der bereits vorhandenen Implementierung der Sekundärkavität berücksichtigt. Die Regeln zur Modellierung der erweiterten Sekundärkavität können jedoch aufgrund von Fehlern, die auf die Geometrieoperationen des Geometriekernels Open CASCADE Technology zurückzuführen sind, lediglich an Rumpftonnen zuverlässig ausgeführt werden und sind in zukünftigen Arbeiten anzupassen. Basierend auf dem um diese Regeln erweiterten Wissenssystems FUGA wird die Fähigkeit der automatisierten Generierung von Simulationsmodellen unterschiedlicher Fidelitätsgrade anhand einer neuartigen Flugzeugkonfiguration sowie deren Rechen- und Analysefähigkeit mittels vibroakustischer Untersuchungen aufgezeigt, bei denen durch die Propeller verursachte Schalldruckanregungen der Rumpfhaut betrachtet werden. Damit liefert die vorliegende Arbeit die Möglichkeit der Durchführung multidisziplinärer Detailanalysen in der frühen Phase des Flugzeugvorentwurfs, deren Zuverlässigkeit durch die Erweiterung der zur Modellierung zu Verfügung stehenden Informationen gesteigert wird.