Multidisziplinäre Optimierung von Flügeln für Verkehrsflugzeuge mit Berücksichtigung der statischen Aeroelastizität

Kurzfassung

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung einer aus hochgenauen Simulationsverfahren bestehenden Prozeßkette zur multidisziplinären Optimierung von Tragflügeln für Verkehrsflugzeuge. Dabei stellt die multidisziplinäre Optimierung eine Entwurfsmethode dar, bei der mehrere Fachdisziplinen und deren Wechselwirkungen in einer numerischen Optimierung berücksichtigt werden. Das Ziel der multidisziplinären Optimierung ist es, die optimale Lösung einer von mehreren Disziplinen bestimmten Entwurfsaufgabe im Hinblick auf eine gewählte Zielfunktion aufzufinden. Basierend auf einem parametrischen CAD-Modell werden die aerodynamischen Beiwerte des Tragflügels mit einer numerischen Strömungssimulation durch Lösung der zeitlich gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) ermittelt. Strukturmasse und elastisches Verhalten des betrachteten Tragflügels folgen aus einer strukturmechanischen Dimensionierung des Flügelkastens für ausgewählte, die Dimensionierung wesentlich beeinflussende Lastfälle mit einer numerischen Struktursimulation unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei werden die Wechselwirkungen zwischen den aerodynamischen Kräften und den Strukturverformungen des elastischen Tragflügels durch eine Strömungs-Struktur-Kopplung in der Prozeßkette berücksichtigt. Mit der automatisierten Prozeßkette werden Flugleistung und Strukturmasse eines mit dem betrachteten Tragflügel ausgerüsteten Verkehrsflugzeugs unter Berücksichtigung der statischen Aeroelastizität im Reiseflug für eine Flugmission bestimmt. Ausgehend vom Konzeptentwurf der Basiskonfiguration und einer Familie von transsonischen Tragflügelprofilen erfolgt die Anwendung der Prozeßkette zur multidisziplinären Optimierung von Tragflügeln. Zu Beginn dient die Optimierung des Innenprofils und der Verwindung mit der Gleitzahl als Zielfunktion dem Entwurf der Profilgeometrie im Innenflügelbereich, um der stark widerstandsbehafteten Entpfeilung der Isobaren imMittelschnitt bei transsonischen Strömungsverhältnissen entgegenzuwirken. Basierend auf den damit gewonnenen Profilgeometrien folgen multidisziplinäre Optimierungen des Flügelgrundrisses, welche die Verwindung und spannweitige Profildickenverteilung als Entwurfsparameter einschließen. Bei diesen multidisziplinären Grundrißoptimierungen kommen die Reichweite und die Effizienz in Form des auf die Reichweite und Nutzlast bezogenen Kraftstoffverbrauchs als Zielfunktionen zur Anwendung. Das beschriebene Vorgehen der multidisziplinären Tragflügeloptimierung wird sowohl auf Tragflügel mit Rückwärtspfeilung als auch auf vorwärts gepfeilte Flügel angewendet. Die mit einem deterministischen Optimierungsverfahren gewonnenen Optimierungsergebnisse zeigen das Potential des multidisziplinären Ansatzes und den Einfluß der Zielfunktion auf die Optimierungen rück- und vorwärts gepfeilter Tragflügel für Verkehrsflugzeuge auf.