Αεροελαστική ανάλυση υψηλής πιστότητας πτερύγων από σύνθετα υλικά
Loading...
Date
2026-07-13
Authors
Καρλατήρας, Θεμιστοκλής-Ταξιάρχης
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η αεροναυπηγική βιομηχανία αποτελεί έναν από τους σταθερά ανερχόμενους τομείς, εξαιτίας της ανάγκης της αγοράς για γρήγορες μετακινήσεις επιβατών και εμπορευμάτων σε μεγάλες αποστάσεις. Παρόλα αυτά τα κόστη πτήσης, των καυσίμων και της συντήρησης είναι αρκετά υψηλά. Ταυτόχρονα, η στροφή της ανθρωπότητας σε φιλικές προς το περιβάλλον μετακινήσεις περιορίζει τις διαθέσιμες επιλογές ως προς τα υλικά κατασκευής, την γεωμετρία, την απόδοση των κινητήρων και την αεροδυναμική συμπεριφορά των αεροσκαφών. Γι’ αυτό οι σχεδιαστικές ομάδες των αεροπορικών εταιριών προσανατολίζονται σε πτητικά μέσα με μεγαλύτερους λόγους επιμήκους πτερύγων, εκλεπτυσμένες εξωτερικές επιφάνειες και εξωτικά υλικά. Δηλαδή παράγοντες που επιτρέπουν να μειωθεί η δομική μάζα, η κατανάλωση καυσίμου και να αυξηθεί η εμβέλεια. Όλες οι παραπάνω επιλογές ως προς τα χαρακτηριστικά των αεροσκαφών αξιολογούνται κατά τον σχεδιασμό. Μέσω αυτού ερευνώνται διάφορες υποψήφιες διατάξεις που αποτελούν το πρόδρομο αεροσκάφος. Στα πρώτα στάδια οι λύσεις αξιολογούνται με χαμηλής πιστότητας μοντελοποίηση, για να αντληθούν γρήγορα αποτελέσματα. Τα εργαλεία αυτά έχουν χαμηλή ακρίβεια. Γι’ αυτό στα τελικά στάδια η επικύρωση της τελικής κατασκευής γίνεται από υψηλής πιστότητας πλαίσια τα οποία επιλύουν αργά. Η δυσκολία αυτή οφείλεται στην περιπλοκότητα των φαινομένων, όπως για παράδειγμα η αεροελαστική σύζευξη του ρευστού με την ελαστική κατασκευή και η μη – γραμμική συμπεριφορά των συνθέτων υλικών των εύκαμπτων πτερύγων.
Στην παρούσα διπλωματική θα πραγματοποιηθεί αεροελαστική ανάλυση υψηλής πιστότητας πτερύγων αεροσκάφους από σύνθετα υλικά. Το γεωμετρικό μοντέλο θα είναι τύπου CRM (Common Research Model) και υποβάλλεται σε μόνιμα αεροδυναμικά φορτία. Η αλληλεπίδραση στερεού - ρευστού θεωρείται μονόπλευρη. Το υπολογιστικό πλαίσιο ξεκινάει με την ανάλυση μέσω CFD (Computational Fluid Dynamics) του πεδίου ροής γύρω από την πτέρυγα. Για την επίλυση επιστρατεύεται το λογισμικό Fluent του Ansys και επιλύονται οι υψηλής πιστότητας RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes) ρευστομηχανικές εξισώσεις συνδυαστικά με το μοντέλο Τύρβης των Spalart - Allmaras. Η επικύρωση του πλαισίου γίνεται με γνωστά υπολογιστικά δεδομένα από προσομοίωση της κανονικής Οριζόντιας Πτήσης. Ταυτόχρονα, επιβεβαιώνεται η αριθμητική σύγκλιση και παρουσιάζονται τα φυσικά αποτελέσματα της ροής. Η επιβεβαίωση της φυσικής αναπαράστασης αυτής της συνθήκης επιτρέπει την περαιτέρω ανάλυση της κατάστασης του Ελιγμού Ανόδου. Παρομοίως παρουσιάζεται η συμπεριφορά και η αριθμητική σύγκλιση της προσομοίωσης υπό την προαναφερθείσα κατάσταση.
Στην συνέχεια το αεροδυναμικό φορτίο εισάγεται με τη βοήθεια του Ansys στο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων της CRM. Έχοντας σχεδιάσει τις δομικές συνιστώσες που αποτελούν το μηχανικό υπολογιστικό χωρίο και επιλέγοντας το σύνθετο υλικό αναφοράς γίνεται μια αρχική εκτίμηση της κατανομής των στρώσεων του σε αυτές. Επειδή τα δομικά χαρακτηριστικά δεν είναι από πριν γνωστά, η σύζευξη των δύο πεδίων εισάγεται σε ένα πλαίσιο δομικής βελτιστοποίησης. Η εύρεση της ποιοτικά βέλτιστης λύσης πραγματοποιείται μέσω της σύζευξης του δομικού επιλύτη MSC Nastran και του αλγόριθμου MIDACO ο οποίος διαχειρίζεται τις μεταβλητές σχεδιασμού και αξιολογεί τις υποψήφιες λύσεις. Οι υπολογισμοί κατέδειξαν ότι η πτέρυγα CRM παρουσιάζει υψηλή πτώση της δομικής της μάζας, χωρίς να παραβιάζει τους περιορισμούς της βελτιστοποίησης. Επίσης, μέσα από την ανάλυση συγκεντρώθηκαν αποτελέσματα σχετικά με την μηχανική συμπεριφορά της πτέρυγας.
Description
Keywords
Σχεδιασμός αεροσκαφών, Μοντέλα τύρβης, Αεροελαστικότητα, Ιδιοανυσματική ανάλυση, Σύνθετα υλικά