sebastien lebrigand / Flickr
Naukowcy z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego zastosowali topologiczną metodę optymalizacji w celu poprawy charakterystyki prawego skrzydła pasażerskiego statku pasażerskiego Boeing 777. Zgodnie z wynikami optymalizacji, naukowcy doszli do wniosku, że ta metoda zmniejsza wagę konstrukcji skrzydła o co najmniej dwa do pięciu procent w porównaniu z tradycyjną konstrukcją, używane dzisiaj. Praca duńskich naukowców opublikowane w naturze .
Optymalizacja topologiczna to sposób na ulepszenie jednej lub drugiej struktury pod względem rozkładu materiału przy zachowaniu niezmienionych ogólnych właściwości wytrzymałościowych. Ogólnie rzecz biorąc, ta metoda zautomatyzowanej lub częściowo zautomatyzowanej poprawy pozwala zoptymalizować projekt, racjonalnie rozprowadzić materiał i puste przestrzenie w objętości i zmniejszyć jego masę. Wynik optymalizacji topologicznej zazwyczaj przypomina coś stworzonego przez naturę .
Do eksperymentu naukowcy wykorzystali oprogramowanie optymalizacji topologicznej działające na francuskim superkomputerze. Curie . Aby zoptymalizować, naukowcy wzięli wewnętrzną strukturę prawego skrzydła pasażerskiego liniowca Boeing 777 o długości 27 metrów. Jego trójwymiarowy model, naukowcy włamali się do 1,1 miliarda woksele , małe jednostki strukturalne, trójwymiarowe analogi dwuwymiarowego piksela. Podczas optymalizacji program oblicza ładowanie najpierw dla każdego woksela oddzielnie, a następnie dla ich całości.
Konstrukcja skrzydła po optymalizacji
Uniwersytet Techniczny w Danii
Wynikowy model trójwymiarowy po każdej optymalizacji był podawany do wejścia programu kilkaset razy. W rezultacie nowa wewnętrzna struktura skrzydła okazała się gładka, na zewnątrz przypominająca siatkę naczyniową. Nowy projekt okazał się łatwiejszy, ale pozostała jego ogólna elastyczność i odporność na naprężenia. Według naukowców optymalizacja ta pozwoli zmniejszyć zużycie paliwa przez samoloty o 40-200 ton rocznie, w zależności od konstrukcji samego samolotu.Jedno skrzydło wkładki Boeing 777 ma trzy pręty (wzdłużne elementy siły) i ponad 30 żeber (prostopadłe płetwy). Podczas optymalizacji oprogramowanie zmniejszyło liczbę prętów do dwóch, a liczbę żeber do trzech, przy czym ta druga znajduje się bliżej korzenia skrzydła. Zamiast wielu żeber, trójwymiarowy model wewnętrznej struktury skrzydła samolotu otrzymał formacje strukturalne, takie jak gałęzie. Należy zauważyć, że program uwzględniał potrzebę wolnej przestrzeni dla zbiorników paliwa i mechanizacji.
Optymalizacja topologiczna jest zwykle stosowana w celu poprawy projektowania poszczególnych małych elementów. Według duńskich naukowców ta metoda została zastosowana do dużej struktury po raz pierwszy.
Obecnie twórcy lotnictwa nie uważają radykalnej zmiany w konstrukcji skrzydła za metodę zwiększania wydajności samolotów. W najbliższej przyszłości nie planuje się poważnej zmiany wewnętrznej struktury skrzydła, jednak naukowcy pracują nad optymalizacją kształtu i zewnętrznych elementów tego elementu aerodynamicznego. W szczególności Unia Europejska opracowuje projekt skrzydła laminarnego, którego dwa prototypy po raz pierwszy zostały przetestowane pod koniec września tego roku.
Skrzydło laminarne powinno mieć bardzo gładką powierzchnię i niski profil, aby zapewnić laminarny, niezakłócony przepływ powietrza na swoim największym możliwym obszarze. Aby stworzyć gładkie skrzydło, planowane jest zastosowanie kilku technologii, w tym ściślejszego dopasowania standardowych elementów konstrukcyjnych do siebie. Zakłada się, że skrzydło laminarne będzie miało o 50 procent mniej oporu niż standardowe. Zmniejszy to zużycie paliwa samolotem w locie o pięć procent.
Wasilij Syczew
