cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2024-27-2-43-59caht-2335Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРациональное проектирование конструкции аэродинамического руля с учетом прочности, жесткости и аэроупругой устойчивостиRational design of the aerodynamic rudder structure taking into account strength, rigidity and aeroelastic stabilityАкимовВ. Н.AkimovV. N.

Акимов Владимир Николаевич, доктор технических наук, доцент, заместитель генерального директора – главный конструктор

г. Долгопрудный

Vladimir N. Akimov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Deputy General Director – Chief Designer

Dolgoprudny

КуприяноваЯ. А.KupriyanovaYa. A.

Куприянова Янина Алексеевна, инженер-конструктор

г. Долгопрудный

Yanina A. Kupriyanova, Design Engineer

Dolgoprudny

janina.kuprianova@yandex.ruПарафесьС. Г.Parafes’S. G.

Парафесь Сергей Гаврилович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры проектирования и прочности авиационно-ракетных и космических изделий

г. Москва

Sergey G. Parafes’, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Design and Strength of Aircraft, Rocket and Space Products Chair

Moscow

s.parafes@mail.ruПубличное акционерное общество "Долгопрудненское научно-производственное предприятие"РоссияPublic Joint Stock Company “Dolgoprudny Research and Production Enterprise”Russian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2024060520242724359Copyright © Акимов В.Н., Куприянова Я.А., Парафесь С.Г., 20242024Акимов В.Н., Куприянова Я.А., Парафесь С.Г.Akimov V.N., Kupriyanova Y.A., Parafes’ S.G.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/2335

В работе рассматривается процесс проектирования аэродинамического руля, конструкция которого включает обшивку постоянной толщины, силовой каркас и балансировочный носок, играющий роль противофлаттерного балансира. Целью работы является постановка и решение задачи проектирования рационального конструктивно-технологического решения руля, отвечающего требованиям прочности, жесткости, аэроупругой устойчивости и минимума массы. Для решения поставленной задачи предложен алгоритм проектирования аэродинамического руля с использованием топологической и параметрической оптимизации. Определены основные параметры области проектирования и балансировочного носка, необходимые для топологической оптимизации. Для конечно-элементного анализа и топологической оптимизации использовался программный комплекс ANSYS Workbench. По результатам оптимизации проведена постобработка и предложено конструктивно-технологическое решение, объединяющее в себе силовые схемы с постоянной и переменной шириной балансировочного носка. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния и установлено, что спроектированная конструкция отвечает требованиям прочности для заданного расчетного случая. Предложена схема решения задачи параметрической оптимизации руля по условию аэроупругой устойчивости. В рамках решения данной задачи проведено исследование флаттера с использованием многостепенной модели, позволяющей исследовать рулевые и корпусно-рулевые формы флаттера беспилотного летательного аппарата (БЛА), оснащенного аэродинамическими рулями. Получены результаты исследования флаттера для расчетного режима полета БЛА в виде зависимостей критической скорости и частоты флаттера от средней ширины балансировочного носка. Анализ данных зависимостей позволил определить оптимальные значения параметров балансировочного носка из условия минимума массы для двух вариантов рулей: с постоянной и переменной шириной балансировочного носка.

The paper considers a design process of an aerodynamic rudder, which structure comprises the skin of constant thickness, a load-bearing structure and a trimmed nose that plays the role of an anti-flutter balancer. The aim of the work is to set and solve the design problem of a rational structural and technological solution of the rudder that meets the requirements of strength, rigidity, aeroelastic stability and minimum mass. To solve this problem, a design algorithm for the rudder, using topological and parametric optimization, is proposed. The main parameters of the design area and the trimmed nose required for topological optimization are determined. The ANSYS Workbench software package was used for the finite element analysis and topological optimization. Based on the results of optimization, post-processing was carried out. A structural and technological solution, that combines structural layouts with constant and variable width of the trimmed nose, was proposed. An analysis of the stress-strain state was carried out, and it was found that the designed structure meets the strength requirements for the given design case. A scheme for solving the parametric optimization problem of the rudder under the condition of aeroelastic stability is proposed. Within the framework of solving this problem, a flutter study was conducted, using a multi-mode model, which makes it possible to study the rudder and body-rudder flutter forms of an unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with aerodynamic rudders. The results of the flutter study for the design mode of the UAV flight are obtained in the form of dependencies of the critical flutter velocity and frequency on the average width of the trimmed nose. The analysis of these dependencies allowed us to derive the optimal values of the trimmed nose parameters from the minimum weight condition for two rudder configurations: with a constant and variable width of the trimmed nose.

аэродинамический рультопологическая оптимизацияпараметрическая оптимизацияжесткостьпрочностьаэроупругая устойчивостьфлаттерaerodynamic ruddertopological optimizationparametric optimizationrigiditystrengthaeroelastic stabilityflutterReferencesНовиков В.Н., Авхимович Б.М., Вейтин В.Е. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1991. 368 с.Novikov, V.N., Avkhimovich, B.M., Veitin, V.E. (1991). Basics of aircraft design and construction. Moscow: Mashinostroyeniye, 368 p. (in Russian)Парафесь С.Г., Сафронов В.С., Туркин И.К. Задачи оптимального проектирования конструкций беспилотных ЛА. М.: МАИ, 2002. 145 с.Parafes’, S.G., Safronov, V.S., Turkin, I.K. (2002). Problems of optimal design for unmanned aircraft structures. Moscow: Izdatelstvo MAI, 145 p. (in Russian)Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology optimization: Theory, methods and applications. Berlin: Springer, 2003. 384 p. DOI: 10.1007/978-3-662-05086-6Bendsoe, M.P., Sigmund, O. (2003). Topology optimization: Theory, methods and applications. Berlin: Springer, 384 p. DOI: 10.1007/978-3-662-05086-6Сорокин Д.В., Бабкина Л.А., Бразговка О.В. Проектирование элементов конструкций различного назначения на основе топологической оптимизации // Космические аппараты и технологии. 2022. Т. 6, № 2 (40). С. 61–82. DOI: 10.26732/j.st.2022.2.01Sorokin, D.V., Babkina, L.A., Brazgovka, O.V. (2022). Designing various-purpose subassemblies based on topological optimization. Spacecrafts and Technologies, vol. 20, no. 2 (40), pp. 61–82. DOI: 10.26732/j.st.2022.2.01 (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. Vol. 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, vol. 23, pp. 595–622. DOI: 10.1007/s11831-015-9151-2Munk D.J. On the benefits of applying topology optimization to structural design of aircraft components / D.J. Munk, D.J. Auld, G.P. Steven, A.G. Vio // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2019. Vol. 60. Pp. 1245–1266. DOI: 10.1007/s00158-019-02250-6Munk, D.J., Auld, D.J., Steven, G.P., Vio, A.G. (2019). On the benefits of applying topology optimization to structural design of aircraft components. Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 60, pp. 1245–1266. DOI: 10.1007/s00158-019-02250-6Saracyakupoglu T. Usage of additive manufacturing and topology optimization process for weight reduction studies in the aviation industry // Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal. 2021. Vol. 6. Pp. 815–820. DOI: 10.25046/aj060294Saracyakupoglu, T. (2021). Usage of additive manufacturing and topology optimization process for weight reduction studies in the aviation industry. Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, vol. 6, pp. 815–820. DOI: 10.25046/aj060294Боровиков А.А., Тушев О.Н. Разработка силовой конструкции космического аппарата с использованием топологической оптимизации для двух вариантов технологии изготовления [Электронный ресурс] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. № 9 (81). С. 5. DOI: 10.18698/2308-6033-2018-9-1807 (дата обращения: 29.08.2023).Borovikov, A.A., Tushev, O.N. (2018). Development of a spacecraft load bearing structures using topology optimization for two versions of manufacturing technologies. Engineering Journal: Science and Innovation, no. 9, p. 5. DOI: 10.18698/2308-6033-2018-9-1807 (accessed: 29.08.2023). (in Russian)Htet T.L. Structural analysis and topology design optimization of load bearing elements of aircraft fuselage structure [Электронный ресурс] // IOP Conference Series: Materials and Science and Engineering. 2020. Vol. 709, iss. 4. DOI: 10.1088/1757-899X/709/4/044113 (дата обращения: 29.08.2023).Htet, T.L. (2020). Structural analysis and topology design optimization of load bearing elements of aircraft fuselage structure. In: IOP Conference Series: Materials and Science and Engineering, vol. 709, issue 4. DOI: 10.1088/1757-899X/709/4/044113 (accessed: 29.08.2023).Choi J.S. Enhancement of a flapping wing using path and dynamic topology optimization / J.S. Choi, L. Zhao, G.J. Park, S. Agrawal, R.M. Kolonay [Электронный ресурс] // AIAA Journal. 2011. Vol. 49, no. 12. Pp. 2616–2626. DOI: 10.2514/1.J050834 (дата обращения: 29.08.2023).Choi, J.S., Zhao, L., Park, G.J., Agrawal, S., Kolonay, R.M. (2011). Enhancement of a flapping wing using path and dynamic topology optimization. AIAA Journal, vol. 49, no. 12, pp. 2616–2626. DOI: 10.2514/1.J050834 (accessed: 29.08.2023).Wang Q., Lu Z., Zhou C. New topology optimization method for wing leading-edge ribs // AIAA Journal of Aircraft. 2011. Vol. 48, no. 5. Pp. 1741–1748. DOI: 10.2514/1.C031362Wang, Q., Lu, Z., Zhou, C. (2011). New topology optimization method for wing leading-edge ribs. AIAA Journal of Aircraft, vol. 48, no. 5, pp. 1741–1748. DOI: 10.2514/1.C031362Félix L., Gomes A.A., Suleman A. Topology optimization of the internal structure of an aircraft wing subjected to self-weight load // Engineering Optimization. 2019. Vol. 52, no. 7. Pp. 1119–1135. DOI: 10.1080/0305215x.2019.1639691Félix, L., Gomes, A.A., Suleman, A. (2019). Topology optimization of the internal structure of an aircraft wing subjected to selfweight load. Engineering Optimization, vol. 52, no. 7, pp. 1119–1135. DOI:10.1080/0305215x.2019.1639691Kambampati S., Townsend S., Kim H.A. Coupled aerostructural level set topology optimization of aircraft wing boxes [Электронный ресурс] // AIAA Journal. 2020. Vol. 58, no. 8. DOI: 10.2514/1.j059157 (дата обращения: 29.08.2023).Kambampati, S., Townsend, S., Kim, H.A. (2020). Coupled aerostructural level set topology optimization of aircraft wing boxes. AIAA Journal, vol. 58, no. 8. DOI: 10.2514/ 1.j059157 (accessed: 29.08.2023).Liu J. Topological design of a lightweight sandwich aircraft spoiler / J. Liu, H. Ou, J. He, G. Wen [Электронный ресурс] // Materials. 2019. Vol. 12, no. 19. P. 3225. DOI: 10.3390/ma12193225 (дата обращения: 29.08.2023).Liu, J., Ou, H., He, J., Wen, G. (2019). Topological design of a lightweight sandwich aircraft spoiler. Materials, vol. 12, no. 19, p. 3225. DOI: 10.3390/ma12193225 (accessed: 29.08.2023).Aage N. Giga-voxel computational morphogenesis for structural design / N. Aage, E. Andreassen, B.S. Lazarov, O. Sigmund // Nature. 2017. Vol. 550. Pp. 84–86. DOI: 10.1038/nature23911Aage, N., Andreassen, E., Lazarov, B.S., Sigmund, O. (2017). Giga-voxel computational morphogenesis for structural design. Nature, vol. 550, pp. 84–86. DOI: 10.1038/nature23911Luo Z., Yang J., Chen L. A new procedure for aerodynamic missile designs using topological optimization approach of continuum structures // Aerospace Science and Technology. 2006. Vol. 10, iss. 5. Pp. 364–373. DOI: 10.1016/j.ast.2005.12.006Luo, Z., Yang, J., Chen, L. (2006). A new procedure for aerodynamic missile designs using topological optimization approach of continuum structures. Aerospace Science and Technology, vol. 10, issue 5, pp. 364–373. DOI: 10.1016/j.ast.2005.12.006Fotouhi M. Topology optimisation of a wing box rib using Ansys / M. Fotouhi, A.M. Abazari, A.M. Ajaj, R. Akrami, S. Fotouhi, H.T. Ali // 28th Annual International Conference of the Iranian Society of Mechanical Engineers. Iran, Tehran, 2020. Pp. 27–29.Fotouhi, M., Abazari, A.M., Ajaj, A.M., Akrami, R., Fotouhi, S., Ali, H.T. (2020). Topology optimisation of a wing box rib using Ansys. In: 28th Annual International Conference of the Iranian Society of Mechanical Engineers, Tehran, Iran, pp. 27–29.Song L., Gao T., Tang L. et al. An allmovable rudder designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing [Электронный ресурс] // Computers and Structures. 2021. Vol. 243. DOI: 10.1016/j.compstruc.2020.106405 (дата обращения: 29.08.2023).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. DOI: 10.1016/j.compstruc.2020.106405 (accessed: 29.08.2023).Парафесь С.Г., Туркин И.К. Актуальные задачи аэроупругости и динамики конструкций высокоманевренных беспилотных летательных аппаратов. М.: МАИ, 2016. 184 с.Parafes', S.G., Turkin, I.K. (2016). Current problems of aeroelasticity and dynamics of structures of highly maneuverable unmanned aircraft. Moscow: MAI, 184 p. (in Russian)Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973. 616 с.Lebedev, A.A., Chernobrovkin, L.S. (1973). Flight dynamics of unmanned aircraft. Moscow: Mashinostroyeniye, 616 p. (in Russian)

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