Efficient wing design for sailplanes

Abstract

Bu araştırmanın amacı menzil ve havada kalma süresi açısından performansa katkıda bulunan optimize edilmiş planör kanat tasarımı elde etmektir. Bu çalışma, Multidisipliner Tasarım Optimizasyonu yaklaşımını (MDO) kullanarak aero-yapısal tasarım optimizasyonu sunmaktadır. Bu optimizasyon Python'da yazılmış ve NASA'nın OpenMDAO çerçevesinde geliştirilen açık kaynaklı, düşük performanslı bir aero-yapısal (aerostructural) analiz ve optimizasyon aracı olan OpenAeroStruct (OAS) kullanarak gerçekleştirilir. Planör kanadını modellemek için, OAS'deki aero-yapısal model, aerodinamik için bir Vortex Lattice Metodu'nu, yapı için bir 1-B Sonlu Elemanlar Analizi ile birleştirdi. Alçalma Hızını hedef fonksiyonu olarak en aza indirmek için, değişken on iki tasarım değişkeniyle ve iki kısıtlayıcıya tabi bir aero-yapısal optimizasyon problemi formüle edilmiştir. Optimizasyon için başlanğıç olarak basit bir kanat tasarımı kullanılmıştır. Aero-yapısal optimizasyon bulguları, optimize edilmiş kanadın her iki disiplinde de gelişme gösterdiğini işaret etmiş olup bunun da mesafe ve havada kalma süresi açısından planörün daha iyi bir performans sergilediğini gösterdi. Optimize edilmiş kanat, havada kalma süresinde %37, mesafede ise %27 artış göstermiştir.

The purpose of this research is to obtain optimized sailplane wing design, which contributes to performance in terms of range and endurance. This study presents aerostructural design optimization using Multidisciplinary Design Optimization approach (MDO). This optimization is carried out using OpenAeroStruct (OAS), an open-source low-fidelity aerostructural analysis and optimization tool written in Python and developed in NASA's OpenMDAO framework. The aerostructural model in OAS coupled a Vortex Lattice Method for aerodynamic with a 1-D Finite-Element Analysis for structure, to model the sailplane wing. An aerostructural optimization problem was formulated to minimize the Sink Speed, as the objective function, with varying twelve design variables, and subjected to two constraints. An initial simple wing design is used as baseline for the optimization. The findings of the aerostructural optimization indicated that the optimized wing exhibited improvements in both disciplines, resulting a better performance for the sailplane in terms of range and endurance. The optimized wing achieved increase of 37% in endurance and 27% in range.