An MDO exercise using response surface methodology: Optimal shape and composite structure of a wing for optimal range

Abstract

Multidisipliner yapılı mühendislik problemleri, disiplinlerin etkin iletişimini gerektiren tasarım optimizasyonlarında (MTO) zorlu görevlerdir. Bu iletişim genel anlamda multidisipliner tasarım optimizasyon çerçevesi olarak ifade edilebilir. Böyle bir çerçevede stratejilerden biri, örneğin B disiplininde uzman olan birisinin A disiplinine bilgi akışını kolaylaştırmak için disiplinler içinde ve arasında kullanılabilecek arayüzler kullanılmasıdır. Tepki Yüzeyi Metodolojisi (TYM) örneğin, MTO problemlerini çözümlemek için çerçeve içindeki disiplinler arasında bilgi köprüsü oluşturmak ve uzman görüşü sunmak amacıyla kullanılan etkin bir yoldur. Bu tez kompozit uçak kanadı tasarım örneğinde bir TYM uygulaması sunmaktadır. Bu çalışmada uçağın menzilli olarak seçilen; en yüksek performans için kanat dış geometrisini (planform) optimize etmek amacıyla en ideal yapsıal ağırlığı tahmin aracı olarak TYM yaklaşımının kullanılması hedeflenmiştir. Üç planform/şekil parametresi seçilmiştir, bunlar; kanat açıklığı, uç veteri ve kök veteridir. Her bir planform için sonlu elemanlar çözümlemelerine dayanan yapısal optimizasyon ile bulunacak optimum bir yapı mecvuttur. Verilmiş bir planform için yapısal optimizasyon seviyesinde, laminat kompozit malzemelerle ilişkilendirilmiş farklı yaklaşımlar kullanılmıştır. Katmanlı yapı kalınlık boyunca eşlenik homojen malzeme özellikleri ile tanımlanır. Diğer bir değişle, homojenize edilmiş katmanlı yapı yaklaşımı, yapısal analiz içinde laminat yapısının kat kat tanımlanması yerine, tahsis edilmiş alt-laminat yapı taşı için tek bir sürekli kalınlık değişkeninin kullanımına imkan sağlar. Referans kanat tasarımı için homojenize laminat yaklaşım ve kat kat analiz karşılaştırması da yapılmıştır, ayrıca homojenize yaklaşımdan tasarım optimizasyon çevrimi içinde faydalanılmıştır. Multidisipliner Tasarım Optimizasyon için çerçeve şu şekilde sunulmuştur: Kanat planformu tasarım uzayı tam faktöriyel deney tasarımıyla tanımlanmıştır. Her bir konfigürasyon/planform için aerodinamik kuvvetlerin hesabında LAMDES kullanılmıştır. Ağırlık optimizasyonu MSC Nastrana bağlı SOL 200 modülü kullanılarak tamamlanmıştır. Jmp 7 istatistiksel yazılımı TYM esaslı ağırlık denklemini kurmak için kullanımıştır. MATLAB'in Genetik Algortima aracı menzil optimizasyonu için uygulanmıştır. Yönelim, kalınlık ve tabaka sayısına bağlı kat kat analiz MSC Nastran yapısal analiz modülü ile gerçekleştirilmiştir.

Engineering problems of multidisciplinary nature are challenging where design optimization requires effective communication of the disciplines. This communication is typically referred as multidisciplinary design optimization (MDO) framework. One of the strategies in such a framework is to use of approximations within and among the disciplines to facilitate the navigation of information through a discipline A by an expert in discipline B. Response surface methodology (RSM) for instance is an effective way to bridge the information and expertise between the disciplines within the framework to complete an MDO problem. This thesis makes a demonstration of RSM in an aircraft composite wing design example. Approximation by RSM aims to generate a prediction tool for optimal structural weight which is required to optimize wing exterior planform for maximum performance, here set as the range of the aircraft. Three planform/shape parameters are chosen: wing span, tip and chord length. For each planform there exists an optimal structure to be found by finite element based structural optimization. The structural optimization level for a given planform makes also use of a different kind of approximation associated with the laminated composite materials. Laminates are treated as homogenized through the thickness and equivalent laminate mechanical properties are implemented. In other words, homogenized laminates approach allows using single continuous thickness variables for each assigned laminate domain replacing the ply-by-ply description of the laminated structure within the structural analyses. Comparison of the homogenized laminate approach and ply-by-ply analyses for a reference wing design is also provided and concluded that former can be incorporated into the design optimization cycles. The MDO framework for the present example is as follows: Wing planforms are described by full factorial DOE. For each configuration/planform: a) LAMDES was used to calculate aerodynamic forces., b) weight optimization of the wing structure subject to displacement and stress constraints was accomplished using MSC Nastran SOL 200 module. Statistical software JMP 7 was then used to construct an RS weight equation. Genetic Algorithm tool of MATLAB was applied for the range optimization.