Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tối ưu hóa topo aeroelastic cho cấu trúc màng trong các phương tiện không người lái cỡ nhỏ
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 họcTài 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