Рациональное проектирование конструкции аэродинамического руля с учетом прочности, жесткости и аэроупругой устойчивости

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.

1. Новиков В.Н., Авхимович Б.М., Вейтин В.Е. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1991. 368 с.

2. Парафесь С.Г., Сафронов В.С., Туркин И.К. Задачи оптимального проектирования конструкций беспилотных ЛА. М.: МАИ, 2002. 145 с.

3. Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology optimization: Theory, methods and applications. Berlin: Springer, 2003. 384 p. DOI: 10.1007/978-3-662-05086-6

4. Сорокин 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.2022.2.01

5. 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/s11831-015-9151-2

6. Munk 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/s00158-019-02250-6

7. Saracyakupoglu 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/aj060294

8. Боровиков 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).

9. 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).

10. 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).

11. 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.C031362

12. Félix 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.2019.1639691

13. Kambampati 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).

14. 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).

15. 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/nature23911

16. Luo 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.2005.12.006

17. Fotouhi 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.

18. 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).

19. Парафесь С.Г., Туркин И.К. Актуальные задачи аэроупругости и динамики конструкций высокоманевренных беспилотных летательных аппаратов. М.: МАИ, 2016. 184 с.

20. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973. 616 с.