cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-2-37-48caht-2170Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGОптимизация конструкции киля из полимерных композиционных материалов за счет применения биоподобных конструктивно-силовых схемOptimization of the fin structure from polymer composite materials using bioinspired structural layoutsБарановскиС. В.BaranovskS. V.

Барановски Сергей Владиславович, кандидат технических наук, доцент кафедры ракетно-космических композитных конструкций

Москва

Sergey V. Baranovski, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the RocketSpace Composite Structures Chair

Moscow

serg1750@mail.ruЯЛин ЗайYarLin Zay

Зай Я Лин, стажер-практикант кафедры ракетно-космических композитных конструкций 

Москва

Zay Yar Lin, Trainee of the Rocket-Space Composite Structures Chair

Moscow

zayarlinngate321@gmail.comМосковский государственный технический университет имени Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical University (BMSTU)Russian Federation2023010520232623748Copyright © Барановски С.В., Я Л.З., 20232023Барановски С.В., Я Л.З.Baranovsk S.V., Yar L.Z.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2170

Для удовлетворения потребности в эффективности по прочности, устойчивости, массе летательного аппарата необходимо решить комплексную сложную задачу проектирования силового каркаса. При этом необходимо принимать во внимание оптимизацию формы, количество, места расположения элементов. В настоящий момент основным вариантом конструктивно-силовой схемы является набор продольных из поперечных элементов, оптимизация которых уже практически исчерпала себя. Применение полимерных композиционных материалов на основе стеклянных и углеродных волокон, обладающих высокими удельными характеристиками по сравнению с металлами, позволяет повысить характеристики изделия и дополнительно оптимизировать структуру каркаса за счет анизотропии свойств материала. Однако для дальнейшего улучшения свойств необходимы принципиально новые силовые схемы. Благодаря развитию технологий изготовления изделий из композиционных материалов, в том числе аддитивному производству и трехмерной печати, а также развивающимся методам математического моделирования и автоматизированного проектирования и стало возможным создание новых перспективных силовых схем. К ним относятся биоподобные конструкции, основанные на природных аналогах, таких как крылья насекомых. Работа посвящена актуальной задаче поиска и выбора новых конструктивно-силовых схем. Целью работы является снижение массы киля самолета при обеспечении прочности конструкции. В работе рассмотрено пять вариантов конструктивно-силовых схем, включая классическую исходную конструкцию. Аэродинамические нагрузки на конструкцию определены с помощью моделирования процесса обтекания на заданном режиме полета. Определено напряженно-деформированное состояние силовой конструкции и выбран оптимальный из рассмотренных вариант. Установлено преимущество биоподобных конструкций из полимерных композиционных материалов над металлическими классическими вариантами. Результаты работы будут учтены и использованы в дальнейшей оптимизации силовых схем и разработке методик выбора силовых конструкций. 

To comply with efficiency in terms of strength, stability and weight of the aircraft, a complex problem for designing a structural layout should be solved. At the same time, it is essential to take into consideration optimization of the shape, quantity, component layout. Now, the main variant of a structural layout is a combination of longitudinal and transverse elements, optimization of which has virtually exhausted itself. The use of polymer composite materials based on glass and carbon fibers, possessing high specific performance compared to metals, makes it possible to improve the performance of a product and additionally optimize a frame structure due to anisotropy of material properties. However, fundamentally innovative structural layouts are needed for further improving properties. It has become practical to create new promising structural layouts due to the development of technologies for manufacturing products from composite materials, including additive manufacturing and 3D printing as well as developing methods of mathematical modeling and computer-assisted design. Bioinspired structures based on natural analogues such as insect wings are attributed to them. The paper is devoted to a highly topical problem of searching and selecting innovative structural layouts. The purpose of the article is to reduce aircraft fin mass while providing structural strength. The paper considers five variants of structural layouts inclusive of the conventional original structure. Aerodynamic loads on the structure were determined by modeling the flow-around process at an assigned flight mode. Stress-and-strain behavior of the structural layout was determined, and the optimal variant of the considered was chosen. The advantage of polymer composite bioinspired structures over conventional metal variants was established. The paper results will be taken into consideration and used in the subsequent optimization of structural layouts and the development of methods for choosing structural layouts.

кильконструктивно-силовая схемалонжероннервюрабиоподобная конструкцияуглепластикfinstructural layoutsparribbioinspired structurecarbon fiberReferencesБалунов К.А. Многодисциплинарные аспекты в исследованиях синтеза и оптимизации конструктивно-силовых схем летательных аппаратов / К.А. Балунов, Ф.З. Ишмуратов, С.А. Туктаров, В.М. Уськов, В.В. Чедрик // Прочность конструкций летательных аппаратов: сборник статей научно-технической конференции. Жуковский, 08–09 декабря 2016 г. Москва: ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, 2017. Т. 2764. С. 29–36.Balunov, K.A., Ishmuratov, F.Z., Tuktarov, S.A., Uskov, V.M., Chedrik, V.V. (2017). Multidisciplinary aspects in research on the synthesis and optimization of structural layout of aircraft. Prochnost konstruktsiy letatelnykh apparatov: sbornik statey nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, vol. 2764, pp. 29–36. (in Russian)Mitrofanov O., Osman M. Designing of smooth composite panels providing stability and strength at postbuckling behavior // Mechanics of Composite Materials. 2022. Vol. 58. Pp. 15–30. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/ s11029-022-10008-3Mitrofanov, O., Osman, M. (2022). Designing of smooth composite panels providing stability and strength at postbuckling behavior. Mechanics of composite materials, vol. 58, pp. 15–30. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/ s11029-022-10008-3Molinari G., Arrieta A.F., Ermanni P. Aero-structural optimization of three-dimensional adaptive wings with embedded smart actuators [Электронный ресурс] // AIAA Journal. 2014. Vol. 52, nо. 9. Pp. 1940–1951. DOI: 10.2514/1.J052715 (дата обращения: 27.04.2022).Molinari, G., Arrieta, A.F., Ermanni, P. (2014). Aero-structural optimization of three-dimensional adaptive wings with embedded smart actuators. AIAA journal, vol. 52, no. 9, pp. 1940–1951. DOI: 10.2514/1.J052715 (accessed: 27.04.2022).Reznik S.V., Esetbatyrovich A.S. Composite air vehicle tail fins thermal and stress-strain state modeling [Электронный ресурс] // AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2318, iss. 1. ID: 020012. DOI: 10.1063/5.0036561 (дата обращения: 27.04.2022).Reznik, S.V., Esetbatyrovich, A.S. (2021). Composite air vehicle tail fins thermal and stress-strain state modeling. AIP Conference Proceedings, vol. 2318, issue 1, ID: 020012. DOI: 10.1063/5.0036561 (accessed: 27.04.2022).Митрофанов О.В. Проектирование несущих панелей из композитных материалов по закритическому состоянию: обзор и актуальные задачи // Естественные и технические науки. 2021. № 11 (162). С. 224–226. DOI: 10.25633/ETN.2021.11.17Mitrofanov, O.V. (2021). Loadbearing composite panels design based on postbuckling state: review and relevant objectives. Natural and Technical Sciences, no. 11 (162), pp. 224–226. DOI: 10.25633/ETN.2021.11.17 (in Russian)Михайловский К.В., Барановски С.В. Методика проектирования крыла из полимерных композиционных материалов на основе параметрического моделирования. Часть 3. Выбор и обоснование оптимальных схем армирования силовых элементов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 5 (698). С. 75–84. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-5-75-84Mikhailovskiy, K.V., Baranovski, S.V. (2018). The methods of designing a polymer composite wing using parametrical modeling. Part III. Selection and justification of optimal schemes for reinforcing load bearing elements. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, no. 5 (698), pp. 75–84. DOI: 10.18698/0536- 1044-2018-5-75-84 (in Russian)Татарников О.В., Пху Вэй Аунг, Найнг Лин Аунг. Выбор оптимальной конструктивно-силовой схемы лонжеронного композитного крыла // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 12 (741). С. 90–99. DOI: 10.18698/0536- 1044-2021-12-90-99Tatarnikov, O.V., Phyo, W.A., Naing, L.A. (2021). Selection of the optimal structural design of a spar composite wing. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, no. 12 (741), pp. 90–99. DOI: 10.18698/0536- 1044-2021-12-90-99 (in Russian)Больших А.А., Еремин В.П. Применение метода параметрической оптимизации в задачах проектирования пассажирских авиалайнеров [Электронный ресурс] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. № 10 (106). 14 c. DOI: 10.18698/2308-6033- 2020-10-2022 (дата обращения: 27.04.2022).Bolshikh, A.A., Eremin, V.P. (2020). Method of parametric optimization in the problems of passenger airliner design. Engineering Journal: Science and Innovation, no. 10 (106), 14 p. DOI: 10.18698/2308-6033-2020-10-2022 (accessed: 27.04.2022). (in Russian)Гузева Т.А., Малышева Г.В. Особенности разработки конструкторско-технологических решений при проектировании деталей из полимеров и композитов // Технология металлов. 2022. № 4. C. 35–41. DOI: 10.31044/1684-2499-2022-0-4-35-41Guzeva, T.A., Malysheva, G.V. (2022). Features of development of design-and-technological solutions during design of parts made of polymers and composites. Tehnologia Metallov, no. 4, pp. 34–41. DOI: 10.31044/ 1684-2499- 2022-0-4-35-41 (in Russian)Martinez D.W. A comprehensive review on the application of 3D printing in the aerospace industry / D.W. Martinez, M. Espino, J.R. Dizon, H.M. Cascolan, J.L. Crisostomo // Key engineering materials. 2022. Vol. 913. Pp. 27–34. DOI: 10.4028/p-94a9zbMartinez, D.W., Espino, M., Dizon, J.R., Cascolan, H.M., Crisostomo, J.L. (2022). A comprehensive review on the application of 3D printing in the aerospace industry. Key engineering materials, vol. 913, pp. 27–34. DOI: 10.4028/p-94a9zbAzarov A.V., Kolesnikov V.A., Khaziev A.R. Development of equipment for composite 3D printing of structural elements for aerospace applications [Электронный ресурс] // IOP conference series: materials science and engineering. 2020. Vol. 934. ID: 012049. DOI: 10.1088/1757-899X/934/1/012049 (дата обращения: 27.04.2022).Azarov, A.V., Kolesnikov, V.A., Khaziev, A.R. (2020). Development of equipment for composite 3D printing of structural elements for aerospace applications. IOP conference series: materials science and engineering, vol. 934, ID: 012049. DOI: 10.1088/1757- 899X/934/1/012049 (accessed: 27.04.2022).Song L., Gao T., Tang L. An allmovable rudder designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by addi tive manufacturing [Электронный ресурс] // Computers and structures. 2021. Vol. 243. ID: 106405. DOI: 10.1016/j.compstruc.2020.106405 (дата обращения: 27.04.2022).Song, L., Gao, T., Tang, L. et al. (2021). An all-movable rudder designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing. Computers and structures, vol. 243, ID: 106405. DOI: 10.1016/j.compstruc.2020.106405 (accessed: 27.04.2022).Азаров А.В., Бабичев А.А., Разин А.Ф. Оптимальное проектирование сетчатой композитной панели крыла самолета при одноосном сжатии // Механика композиционных материалов и конструкций. 2020. Т. 26, № 4. С. 490–500. DOI: 10.33113/mkmk. ras.2020.26.04.490_500.04Azarov, A.V., Babichev, A.A., Razin, A.F. (2020). Optimal design of an airplane wing composite lattice panel under axial compression. Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsii, vol. 26, no. 4, pp. 490–500. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2020. 26.04.490_500.04 (in Russian)Zhu J.H., Zhang W.H., Xia L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design // Archives of computational methods in engineering. 2016. No. 23. Pp. 595–622. DOI: 10.1007/s11831-015-9151-2Zhu, J.H., Zhang, W.H., Xia, L. (2016). Topology optimization in aircraft and aerospace structures design. Archives of computational methods in engineering, no. 23, pp. 595–622. DOI: 10.1007/s11831-015-9151-2Юргенсон С.А. Конструкционные элементы на основе метаматериалов / С.А. Юргенсон, Е.В. Ломакин, Б.Н. Федулов, А.Н. Федоренко // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 4. С. 211–219. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.18Yurgenson, S.A., Lomakin, E.V., Fedulov, B.N., Fedorenko, A.N. (2020). Structural elements based on the metamaterials. PNRPU Mechanics Bulletin, no. 4, pp. 211–219. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.18 (in Russian)Dubois A., Farhat C., Abukhwejah A.H. Parameterization framework for aeroelastic design optimization of bio-inspired wing structural layouts // 57th AIAA/ASCE/AHS/ ASC structures, structural dynamics, and materials conference. USA, San Diego, 4–8 January 2016. Vol. 2016-0485. Pp. 1–16. DOI: 10.2514/6.2016-0485Dubois, A., Farhat, C., Abukhwejah, A.H. (2016). Parameterization framework for aeroelastic design optimization of bio-inspired wing structural layouts. 57th AIAA/ASCE/ AHS/ASC structures, structural dynamics, and materials conference, vol. 2016–0485, pp. 1–16. DOI: 10.2514/6.2016–0485Soboyejo W., Daniel L. (Eds.). Bioinspired structures and design. Cambridge: Cambridge University press, 2020. 360 p. DOI: 10.1017/9781139058995Soboyejo, W., Daniel, L. (Eds.). (2020). Bioinspired structures and design. Cambridge: Cambridge University Press, 360 p. DOI: 10.1017/9781139058995Singh K. Hybrid optimization of curviline-arly stiffened shells using parallel processing / K. Singh, W. Zhao, M. Jrad, R.K. Kapania [Электронный ресурс] // Journal of aircraft. 2019. Vol. 56, no. 3. Pp. 1068–1079. DOI: 10.2514/1.C035069 (дата обращения: 27.04.2022).Singh, K., Zhao, W., Jrad, M., Kapania, R.K. (2019). Hybrid optimization of curviline-arly stiffened shells using parallel processing. Journal of Aircraft, vol. 56, no. 3, pp. 1068–1079. DOI: 10.2514/1.C035069 (accessed: 27.04.2022).Барановски С.В., Михайловский К.В. Структурно-оптимизированная конструкция крыла из полимерных композиционных материалов. Часть 1. Криволинейные силовые элементы // Ученые записки ЦАГИ. 2020. Т. 51, № 2. С. 79–86.Baranovski, S.V., Mikhailovskiy, K.V. (2020). Structurally optimized polymer composite wing design. Part 1. Curvilinear load-bearing elements. TsAGI Science Journal, vol. 51, no. 2, pp. 79–86.Zhao W., Kapania R.K. Bilevel programming weight minimization of composite flying-wing aircraft with curvilinear spars and ribs [Электронный ресурс] // AIAA Journal. 2019. Vol. 57, no. 6. Pp. 2594–2608. DOI: 10.2514/1.J057892 (дата обращения: 27.04.2022).Zhao, W., Kapania, R.K. (2019). Bilevel programming weight minimization of composite flying-wing aircraft with curvilinear spars and ribs. AIAA Journal, vol. 57, no. 6, pp. 2594–2608. DOI: 10.2514/1.J057892 (accessed: 27.04.2022).De S., Jrad M., Kapania R.K. Structural optimization of internal structure of aircraft wings with curvilinear spars and ribs [Электронный ресурс] // Journal of aircraft. 2019. Vol. 56, no. 2. Pp. 707–718. DOI: 10.2514/1. C034818 (дата обращения: 27.04.2022).De, S., Jrad, M., Kapania, R.K. (2019). Structural optimization of internal structure of aircraft wings with curvilinear spars and ribs. Journal of Aircraft, vol. 56, no. 2, pp. 707–718. DOI: 10.2514/1.C034818 (accessed: 27.04.2022).Stanford B.K., Jutte C.V. Comparison of curvilinear stiffeners and tow steered composites for aeroelastic tailoring of aircraft wings // Computers & Structures. 2017. Vol. 183, no. 15. Pp. 48–60. DOI: 10.1016/j.compstruc.2017.01.010Stanford, B.K., Jutte, C.V. (2017). Comparison of curvilinear stiffeners and tow steered composites for aeroelastic tailoring of aircraft wings. Computers & Structures, vol. 183, no. 15, pp. 48–60. DOI: 10.1016/ j.compstruc.2017.01.010Vescovini R. A sem-analytical approach for the analysis of variable-stiffness panels with curvilinear stiffeners / R. Vescovini, V. Oliveri, D. Pizzi, L. Dozio, P.M. Weaver // International Journal of Solids and Structures. 2020. Vol. 188–189. Pp. 244–260. DOI: 10.1016/ j.ijsolstr.2019.10.011Vescovini, R., Oliveri, V., Pizzi, D., Dozio, L., Weaver, P.M. (2020). A semianalytical approach for the analysis of variable– stiffness panels with curvilinear stiffeners. International Journal of Solids and Structures, vol. 188–189, pp. 244–260. DOI: 10.1016/ j.ijsolstr.2019.10.011Salcedo M.K. Computational analysis of size, shape and structure of insect wings [Электронный ресурс] / M.K. Salcedo, J. Hoffmann, S. Donoughe, L. Mahadevan // Biology Open. 2019. Vol. 8, no. 10. ID: bio040774. DOI: 10.1242/bio.040774 (дата обращения: 27.04.2022).Salcedo, M.K., Hoffmann, J., Donoughe, S., Mahadevan, L. (2019). Computational analysis of size, shape and structure of insect wings. Biology Open, vol. 8, no. 10, ID: bio040774. DOI: 10.1242/bio.040774 (accessed: 27.04.2022).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.