Многодисциплинарная оптимизация параметров и динамики полета БПЛА


Отрасль: Авиация и космос| Продукт: pSeven | Компания: Сколтех

06 декабря 2018

Введение

В данном проекте группа студентов Сколтеха оптимизировала конструктивные параметры и динамику полета запускаемого из трубчатой направляющей беспилотного летательного аппарата (БПЛА) с помощью pSeven. В исходном положении БПЛА находится внутри направляющей со сложенными крыльями. Во время запуска давление внутри трубы растет и придает ускорение беспилотнику. После вылета из трубы крылья раскрываются, и летательный аппарат начинает набирать высоту.

Поведение беспилотника в воздухе зависит от конструкции отдельных его компонентов. Поэтому требуется многодисциплинарная оптимизация, в ходе которой виртуальное представление изделия анализируется на разных уровнях – от одномерных моделей, описывающих общее поведение системы, до трехмерных СAD и CAE-моделей, отображающих проектные параметры, конструктивную целостность и надежность.

Трубчатая направляющая БПЛА

Геометрическая модель БПЛА с расправленными крыльями

Цель

В задаче требовалось определить такие конструктивные параметры крыла, которые позволили бы минимизировать напряжение и обеспечили бы наилучшую динамику полета. Рассматривались следующие входные параметры:

  • Толщина каждой нервюры крыла - \(t_{i}\)
  • Длина крыла - \(l\)

Конструктивные параметры крыла беспилотника

Модель динамики полета БПЛА в Amesim

Расчет зависимости динамики полета от длины крыла, общей массы, центра масс и других характеристик БПЛА был произведен в Amesim. Аэродинамические нагрузки для различных длин крыла были получены в ходе CFD-анализа в ANSYS CFX, где БПЛА моделировался целиком.

Газодинамическая модель БПЛА, демонстрирующая распределение нагрузок на крыло

Полученные нагрузки использовались в прочностном анализе в Simcenter 3D (NX Nastran) для расчета напряжений в крыле. Согласно его результатам, области максимального напряжения находятся ближе к корневой части лонжерона.

Напряжения по Мизесу в крыле БПЛА

Трудности

  • Многодисциплинарность: расчет нагрузок на крыло, напряжений, динамики полета.
  • Длительность газодинамических и прочностных расчетов.
  • Неэффективность алгоритмов оптимизации, имеющихся в Amesim.

Решение

Поскольку каждый запуск прочностного расчета длился порядка 7 минут, то вместо его интеграции в итоговую расчетную схему оптимизации было проведено планирование эксперимента (DoE) в pSeven. Полученные значения прочностных параметров, напряжений в крыле и массы БПЛА использовались для обучения аппроксимационной модели.

Платформа pSeven позволила объединить эту модель и расчеты динамики полета в Amesim в единую расчетную схему, запускающую процесс оптимизации. На рисунке ниже показана итоговая схема оптимизации.

Cхема оптимизации БПЛА в pSeven

Цели оптимизации:

  • Минимизировать напряжения в крыле.
  • Увеличить высоту полета БПЛА.

Напряжения в крыле исследовались с помощью аппроксимационной модели, а высота полета была рассчитана по модели динамики полета в Amesim.

Результаты

Результаты оптимизации:

  • Значения напряжений в крыле уменьшены на 14% по сравнению с исходными.
  • Найдена оптимальная геометрия крыла.

Данные процесса оптимизации приведены ниже:

Данные оптимизации в виде графика параллельных координат

Целевые функции оптимизации – высота полета и напряжения в крыле

 

Михаил Гусев, научный сотрудник, Сколтех

Skoltech

О Сколтехе

Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственный образовательно-исследовательский институт, который находится в Сколково (Россия, Московская область). Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (MIT), Сколтех готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, продвигает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Институт строит свою работу, опираясь на лучшие традиции российских и международных образовательных и исследовательских практик, делая особый акцент на предпринимательской и инновационной деятельности.

LinkedIn
VK

Заинтересовало решение?

Нажмите, чтобы запросить бесплатную 30-дневную демоверсию.

Запросить демо