Çok-amaçlı Optimizasyon İle Aeroelastik Bir Uçak Kanadının Kompozit Kaplama Ve İç Yapısının Tersine Tasarımı

Abstract

Bu çalışmada, NASA Langley Araştırma Merkezi tarafından deney verileri 1980’lerin ortasında yayınlanmış olan kompozit ARW-2 kanadı aeroelastik analizlerde kullanılmıştır. Ancak, NASA tarafından yayınlanan raporlarda kanada ait bazı kalınlık bilgileri ve malzeme özelliklerine yer verilmemiştir. Bu sebeple, ARW-2 kanadının; daimi ve daimi olmayan akış rejimlerine ait çok sayıda deneysel verisi olmasına rağmen, bugünkü sonlu elemanlar metoduna dayanan hesaplamalı aeroelastisite çalışmalarında bir benchmark problemi olarak kullanılmasında zorluklar görülmektedir. Literatürde ARW-2 üzerine yapılmış hesaplamalı çalışmaların çoğunda kanadın kompozit plaka veya 3 boyutlu izotropik kaplamalı basitleştirilmiş modelleri kullanılmıştır. Bu çalışmada ise amaç, ARW-2 kanadının, NASA raporlarında mevcut olan tanımlamalarına ve deneysel sonuçlarına mümkün olduğunca yakın 3 boyutlu sayısal bir kompozit modelini oluşturmaktır. Bu amaçla, kanada ait eksik olan özelliklerin tamamlanması için sayısal ve deneysel veriler arasındaki hataları minimize edecek şekilde çok-amaçlı bir optimizasyon döngüsünde tersine tasarım yaklaşımı uygulanmıştır. Optimizasyon içinde kriter olarak hesaplamalı kanat modelinin modal analiz ve statik eğilme yerdeğiştirmelerinin deneysel kanat modeline göre bağıl hatalarının minimize edilmesi kullanılmıştır. Elde edilen modelin statik aeroelastik cevabının doğrulanması için akışkan-yapı bağlaşımı yöntemi kullanılmış ve deneysel sonuçlarla uyumluluk elde edilmiştir. Böylece ileride hesaplamalı aeroelastisite veya aeroelastik optimizasyon çalışmalarında kullanılabilecek güvenilir, 3 boyutlu sayısal bir kompozit kanat modeli elde edilmiştir.

In this study, composite ARW-2 wing whose experimental results were published in the mid 1980s by NASA Langley Research Center is used as the model. However, in the technical reports published by NASA, some thickness values and mechanical properties of the wing are missing. Therefore, although the experimental results of steady and unsteady flow regimes exist, it is difficult to use the model as a benchmark problem with today’s finite element method based computational aeroelastic analyses. In literature many of the computational studies on ARW-2, the wing is modeled as simplified composite plate or a 3D isotropic skin. In this study the aim is to model a 3D computational composite ARW-2 wing as fairly close to the existing NASA definitions and experimental results. For this purpose, in order to identify the missing properties an inverse design approach in multi-objective optimization process, that can minimize the relative errors between experimental and computational results, is applied. In this problem, minimization of the relative errors between computational wing’s modal analysis and static bending displacement responses with respect to experimental wing model is used as optimization criterion. Fluid- structure interaction method is applied in order to validate static aeroelastic response and these results are obtained as relevant with the experimental results. Therefore a reliable 3D computational composite wing model is obtained that can be used for further aeroelasticity and aeroelastic optimization problems.