Tối ưu hóa topo aeroelastic cho cấu trúc màng trong các phương tiện không người lái cỡ nhỏ

Structural and Multidisciplinary Optimization - Tập 38 - Trang 301-316 - 2008
Bret Stanford1, Peter Ifju1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Florida, Gainesville, USA

Tóm tắt

Nghiên cứu này xem xét tối ưu hóa aeroelastic của cánh phương tiện không người lái cỡ nhỏ bằng cách sử dụng tối ưu hóa topo. Cánh có tỷ lệ khía cạnh thấp được chia thành các tấm panel: một công thức hai vật liệu trên bề mặt tiếp xúc được sử dụng, trong đó mỗi tấm panel có thể là màng (da cánh) hoặc sợi carbon (cốt gia cường). Phân tích độ nhạy phân tích của hệ thống aeroelastic được sử dụng cho tối ưu hóa dựa trên gradient của các hàm mục tiêu khí động học. Một hình phạt rõ ràng được thêm vào, nếu cần, để buộc cấu trúc phải có phân bố 0-1. Sự phụ thuộc của giải pháp vào thiết kế ban đầu, góc tấn, mật độ lưới và hàm mục tiêu được trình bày. Sự biến dạng và phân bố áp lực dọc theo cánh được nghiên cứu cho các thiết kế tăng tải và giảm tải khác nhau (cả cơ sở và tối ưu), nhằm thiết lập mối liên hệ giữa phân bố độ cứng và hiệu suất khí động học của cánh phương tiện không người lái cỡ nhỏ. Nghiên cứu kết thúc với việc xác thực thực nghiệm về sự vượt trội của một số thiết kế tối ưu được chọn.

Từ khóa

#tối ưu hóa aeroelastic #cấu trúc màng #phương tiện không người lái cỡ nhỏ #tối ưu hóa topo #phân tích độ nhạy #hiệu suất khí động học

Tài liệu tham khảo

Albertani R, Stanford B, Hubner J, Ifju P (2007) Aerodynamic coefficients and deformation measurements on flexible micro air vehicle wings. Exp Mech 47(5):625–635 Anagnostou G, Rønquist E, Patera A (1992) A computational procedure for part design. Comput Methods Appl Mech Eng 97(1):33–48 Balabanov V, Haftka R (1996) Topology optimization of transport wing internal structure. J Aircr 33(1):232–233 Beckers M (1999) Topology optimization using a dual method with discrete variables. Struct Multidisc Optim 17(1):14–24 Bendsøe M, Sigmund O (2003) Topology optimization. Springer, Berlin, Germany Bendsøe M, Lund E, Olhoff N, Sigmund O (2005) Topology optimization: broadening the areas of application. Control Cybern 34(1):7–35 Borrvall T, Petersson J (2003) Topology optimization of fluids in stokes flow. Int J Numer Methods Fluids 41(1):77–107 Chen T, Wu S (2008) Multiobjective optimal topology design of structures. Comput Mech 21(6):483–492 Cook R, Malkus D, Plesha M, Witt R (2002) Concepts and applications of finite element analysis. Wiley, New York, NY Deb K, Goel T (2001) A hybrid multi-objective evolutionary approach to engineering shape design. In: International conference on evolutionary multi-criterion optimization, 7–9 March, Zurich, Switzerland Eschenauer H, Olhoff N (2001) Topology optimization of continuum structures: a review. Appl Mech Rev 54(4):331–390 Gersborg-Hansen A, Sigmund O, Haber R (2005) Topology optimization of channel flow problems. Struct Multidisc Optim 30(3):181–192 Gomes A, Suleman A (2008) Topology optimization of a reinforced wing box for enhanced roll maneuvers. AIAA J 46(3):548–556 Haftka R, Gürdal Z (1992) Elements of structural optimization. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands Hsu M, Hsu Y (2005) Interpreting three-dimensional structural topology optimization results. Comput Struct 83(4):327–337 Katz J, Plotkin A (2001) Low-speed aerodynamics. Cambridge University Press, Cambridge, UK Krog L, Tucker A, Kemp M (2004) Topology optimization of aircraft wing box ribs. In: AIAA/ISSMO multidisciplinary analysis and optimization conference, 30 August–1 September, Albany, NY Lee S, Bae J, Hinton E (2000) Shell topology optimization using the layered artificial material model. Int J Numer Methods Eng 47(4):843–867 Luo Z, Yang J, Chen L (2006) A new procedure for aerodynamic missile designs using topological optimization approach of continuum structures. Aerosp Sci Technol 10(5):364–373 Lyu N, Saitou K (2005) Topology optimization of multicomponent beam structure via decomposition-based assembly synthesis. J Mech Des 127(2):170–183 Martins J, Alonso J, Reuther J (2001) Aero-structural wing design optimization using high-fidelity sensitivity analysis. In: Confederation of European aerospace societies conference on multidisciplinary analysis and optimization, 25–26 June, Cologne, Germany Maute K, Allen M (2004) Conceptual design of aeroelastic structures by topology optimization. Struct Multidisc Optim 27(1):27–42 Maute K, Reich G (2006) Integrated multidisciplinary topology optimization approach to adaptive wing design. J Aircr 43(1):253–263 Maute K, Nikbay M, Farhat C (2002) Sensitivity analysis and design optimization of three-dimensional non-linear aeroelastic systems by the adjoint method. Int J Numer Methods Eng 56(6):911–933 Ormiston R (1971) Theoretical and experimental aerodynamics of the sail wing. J Aircr 8(2):77–84 Pingen G, Evgrafov A, Maute K (2007) Topology optimization of flow domains using the Lattice Boltzmann method. Struct Multidisc Optim 34(6):507–524 Stanford B, Abdulrahim M, Lind R, Ifju P (2007a) Investigation of membrane actuation for roll control of a micro air vehicle. J Aircr 44(3):741–749 Stanford B, Sytsma M, Albertani R, Viieru D, Shyy W, Ifju P (2007b) Static aeroelastic model validation of membrane micro air vehicle wings. AIAA J 45(12):2828–2837 Stegmann J, Lund E (2005a) Nonlinear topology optimization of layered shell structures. Struct Multidisc Optim 29(5):349–360 Stegmann J, Lund E (2005b) Discrete material optimization of general composite shell structures. Int J Numer Methods Eng 62(14):2009–2027 Stolpe M, Stidsen T (2006) A hierarchical method for discrete structural topology design problems with local stress and displacement constraints. Int J Numer Methods Eng 69(5):1060–1084 Torres G (2002) Aerodynamics of low aspect ratio wings at low Reynolds numbers with applications to micro air vehicle design. Ph.D. Dissertation, Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, South Bend, IN Wang S, Tai K, Wang M (2006) An enhanced genetic algorithm for structural topology optimization. Int J Numer Methods Eng 65(1):18–44 Zuo K, Chen L, Zhang Y, Yang J (2007) Study of key algorithms in topology optimization. Int J Adv Manuf Technol 32(7):787–796