В данном проекте группа студентов Сколтеха оптимизировала конструктивные параметры и динамику полета запускаемого из трубчатой направляющей беспилотного летательного аппарата (БПЛА) с помощью pSeven. В исходном положении БПЛА находится внутри направляющей со сложенными крыльями. Во время запуска давление внутри трубы растет и придает ускорение беспилотнику. После вылета из трубы крылья раскрываются, и летательный аппарат начинает набирать высоту. Поведение беспилотника в воздухе зависит от конструкции отдельных его компонентов. Поэтому требуется многодисциплинарная оптимизация, в ходе которой виртуальное представление изделия анализируется на разных уровнях – от одномерных моделей, описывающих общее поведение системы, до трехмерных СAD и CAE-моделей, отображающих проектные параметры, конструктивную целостность и надежность.
Трубчатая направляющая БПЛА
Геометрическая модель БПЛА с расправленными крыльями
Цель
В задаче требовалось определить такие конструктивные параметры крыла, которые позволили бы минимизировать напряжение и обеспечили бы наилучшую динамику полета. Рассматривались следующие входные параметры:
- Толщина каждой нервюры крыла – ti
- Длина крыла – l
Конструктивные параметры крыла беспилотника
Модель динамики полета БПЛА в Amesim
Расчет зависимости динамики полета от длины крыла, общей массы, центра масс и других характеристик БПЛА был произведен в Amesim. Аэродинамические нагрузки для различных длин крыла были получены в ходе CFD-анализа в ANSYS CFX, где БПЛА моделировался целиком.

Газодинамическая модель БПЛА, демонстрирующая распределение нагрузок на крыло
Полученные нагрузки использовались в прочностном анализе в Simcenter 3D (NX Nastran) для расчета напряжений в крыле. Согласно его результатам, области максимального напряжения находятся ближе к корневой части лонжерона.

Напряжения по Мизесу в крыле БПЛА
Трудности
- Многодисциплинарность: расчет нагрузок на крыло, напряжений, динамики полета.
- Длительность газодинамических и прочностных расчетов.
- Неэффективность алгоритмов оптимизации, имеющихся в Amesim.
Решение
Поскольку каждый запуск прочностного расчета длился порядка 7 минут, то вместо его интеграции в итоговую расчетную схему оптимизации было проведено планирование эксперимента (DoE) в pSeven. Полученные значения прочностных параметров, напряжений в крыле и массы БПЛА использовались для обучения аппроксимационной модели.
Платформа pSeven позволила объединить эту модель и расчеты динамики полета в Amesim в единую расчетную схему, запускающую процесс оптимизации. На рисунке ниже показана итоговая схема оптимизации.
Cхема оптимизации БПЛА в pSeven
Цели оптимизации:
- Минимизировать напряжения в крыле.
- Увеличить высоту полета БПЛА.
Напряжения в крыле исследовались с помощью аппроксимационной модели, а высота полета была рассчитана по модели динамики полета в Amesim.
Результаты
Результаты оптимизации:
- Значения напряжений в крыле уменьшены на 14% по сравнению с исходными.
- Найдена оптимальная геометрия крыла.
Данные процесса оптимизации приведены ниже:
Данные оптимизации в виде графика параллельных координат
Целевые функции оптимизации – высота полета и напряжения в крыле
О Сколтехе
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственный образовательно-исследовательский институт, который находится в Сколково (Россия, Московская область). Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (MIT), Сколтех готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, продвигает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Институт строит свою работу, опираясь на лучшие традиции российских и международных образовательных и исследовательских практик, делая особый акцент на предпринимательской и инновационной деятельности.
О ДАТАДВАНС
DATADVANCE является ведущим в России разработчиком программного обеспечения в области интеллектуального анализа данных, предсказательного моделирования и многодисциплинарной оптимизации. Миссия компании — создание и совершенствование эффективного и удобного программного инструментария, позволяющего клиентам существенно сократить временные и финансовые затраты на создание инновационных продуктов и повысить их качество и технические характеристики.
Источник: http://isicad.ru/