Βελτιστοποίηση μικρού επιβατικού υπερηχητικού αεροσκάφους με αεροδυναμική και δομική ανάλυση

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία, ασχολείται με το σχεδιασμό - βελτιστοποίηση ενός δελταπτέρυγου, υπερηχητικού, επιβατικού αεροσκάφους. Το πρόβλημα επιλύθηκε πραγματοποιώντας μια βελτιστοποίηση ενός στόχου και στη συνέχεια, μια βελτιστοποίηση δύο στόχων. Στην πρώτη, ο στόχος που τέθηκε για το σχεδιαζόμενο αεροσκάφος ήταν να έχει μέγιστη εμβέλεια με δεδομένο βάρος απογείωσης. Στη δεύτερη, οι δύο αντικρουόμενοι στόχοι, ήταν να επιτευχθεί μέγιστη εμβέλεια και ταυτόχρονα, ελάχιστο βάρος απογείωσης. Η βελτιστοποιήσεις που πραγματοποιήθηκαν, εντάσσονται σε αυτό που διεθνώς ονομάζεται Multi-Disciplinary Optimization (MDO), αφού η βέλτιστη λύση προκύπτει με εφαρμογή αεροδυναμικών κριτηρίων αλλά και κριτηρίων που απορρέουν από τη δομική ανάλυση του αεροσκάφους. Οι μεταβλητές σχεδιασμού περιλαμβάνουν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της πτέρυγας και τον αριθμό Mach της πτήσης. Ως μέθοδος βελτιστοποίησης, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό εξελικτικών αλγορίθμων EASY που υποστηρίζεται από μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης και έχει αναπτυχθεί από το ΕΘΣ/ΕΜΠ. Για την αξιολόγηση των υποψηφίων λύσεων (μορφών πιθανών αεροσκαφών μαζί με τον αριθμό Mach της πτήσης) χρησιμοποιήθηκε λογισμικό επίλυσης των 3D εξισώσεων Navier Stokes (λογισμικό FLOWer, που έχει αναπτυχθεί στο DLR και χρησιμοποιείται από το ΕΜΠ, στη βάση υπογραφείσας συμφωνίας) με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων. Για τη δομική ανάλυση, χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό λογισμικό NASTRAN. Η όλη αξιολόγησης ενός αεροσκάφους, είναι απολύτως αυτοματοποιημένη, έτσι ώστε να μπορεί να κληθεί από το λογισμικό βελτιστοποίησης EASY, χωρίς φυσικά την παρέμβαση του χρήστη. Η εργασία αυτή, εκτός από το να σχεδιάσει το βέλτιστο αεροσκάφος με βέλτιστο αριθμό Mach πτήσης, στοχεύει και στο να αναδείξει τρόπους μείωσης του χρόνου σχεδιασμού, ώστε να γίνει αποδεκτός για χρήση από τη βιομηχανία. Οι υπολογισμοί έγιναν στο πολυεπεξεργαστικό σύστημα του ΕΘΣ/ΕΜΠ.

The purpose of the present diploma thesis is the design and optimization of a delta-wing, supersonic business jet. Two separate optimizations (a single- and a multi-objective one) were conducted. The first optimization was single objective. The objective was the maximum range with known takeoff weight. The second optimization was multi objective. The two objectives were maximum range and minimum takeoff weight. This is in fact, a real Multi-Disciplinary Optimization (MDO) problem, because the optimal solution should satisfy both aerodynamic and structural criteria. The design variables consist of the geometric characteristics of the wing, alongside with the flight Mach number. The EASY software based on evolutionary algorithms, assisted by surrogate models, which has been developed in the Lab. of Thermal Turbomachines, NTUA, (LTT/NTUA) was used as optimization software. For the evaluation of the candidate solutions (possible aircraft shapes), a 3D Navier Stokes equation Solver (Code FLOWer, developed by DLR and licensed to NTUA), based on the finite volume method, was used. This solver is based on the finite volume method. The NASTRAN commercial software was used for the structural analysis. The aforementioned analysis software is fully automated, and can thus be used directly as evaluator for the EASY optimization software. The main objective of this thesis was not only the design of the optimal aircraft with the optimal flight Mach number. This thesis also aims at showing design methods that reduce the design wall clock time and are suitable for industrial applications. The design was carried out on the multi-processor platform of LTT/NTUA.