sebastien lebrigand / Flickr
Дослідники з Данського технічного університету використовували метод топологічної оптимізації для поліпшення характеристик правої консолі крила пасажирського лайнера Boeing 777. За підсумками оптимізації дослідники прийшли до висновку, що такий метод дозволяє знизити масу конструкції крила щонайменше на два-п'ять відсотків у порівнянні з традиційною конструкцією, використовуваної сьогодні. Робота датських дослідників опублікована в Nature.
Топологічна оптимізація являє собою спосіб поліпшити ту чи іншу конструкцію з точки зору розподілу матеріалу при збереженні загальних міцності незмінними. У загальних рисах такий метод автоматизованого або частково автоматизованого поліпшення дозволяє оптимізувати конструкцію, раціонально розподіливши матеріал і порожнечі в обсязі і знизивши її масу. Результат топологічної оптимізації зовні зазвичай нагадує щось, створене природою .
Для свого експерименту дослідники використовували програмне забезпечення топологічної оптимізації, запущене на французькому суперкомп'ютері Curie . Для оптимізації вчені взяли внутрішню конструкцію правої консолі крила пасажирського лайнера Boeing 777 довжиною 27 метрів. Його тривимірну модель дослідники розбили на 1,1 мільярда вокселей , Невеликих структурних одиниць, тривимірних аналогів двовимірного пікселя. При оптимізації програма розраховувала навантаження спочатку для кожного воксель окремо, а потім для їх сукупності.
Конструкція крила після оптимізації
Technical University of Denmark
Отримувати після кожної оптимізації тривимірна модель подавалася на вхід програми кілька сотень разів. В результаті нова внутрішня структура крила вийшла плавної, що зовні нагадує судинну сітку. Нова конструкція вийшла легше, але її загальна гнучкість і стійкість до навантажень збереглася. За оцінкою дослідників, така оптимізація дозволить домогтися зменшення споживання палива літаком на 40-200 тонн на рік в залежності від конструкції самого літального апарату.Одна консоль крила лайнера Boeing 777 має три лонжерона (поздовжні силові елементи) і більше 30 нервюр (перпендикулярні ребра). При оптимізації програмне забезпечення зменшило кількість лонжеронів до двох, а число нервюр - до трьох, причому останні розташувалися ближче до кореня крила. Замість безлічі нервюр тривимірна модель внутрішньої конструкції крила літака отримала структурні утворення, на зразок гілок. Слід зазначити, що програма врахувала необхідність вільного простору для паливних баків і механізації.
Топологічна оптимізація зазвичай використовується для поліпшення конструкції окремих невеликих елементів. За твердженням датських вчених, такий метод був застосований до великої конструкції вперше.
Сьогодні авіарозробників не розглядають радикальна зміна конструкції крила в якості методу підвищення економічності літаків. Внутрішню структуру крила в доступній для огляду перспективі серйозно змінювати не планується, проте дослідники працюють над оптимізацією форми і зовнішніх елементів цього аеродинамічного елемента. Зокрема, в Євросоюзі розробляється проект ламинарного крила, два прототипи якого вперше були випробувані в кінці вересня поточного року.
Ламинарное крило повинно мати дуже гладку поверхню і невисокий профіль, щоб забезпечити ламінарний, незбурених, повітряний потік на якомога більшій своїй площі. Для створення гладкого крила планується використовувати декілька технологій, включаючи більш щільну підгонку стандартних елементів конструкції один до одного. Передбачається, що ламинарное крило матиме на 50 відсотків менший лобовий опір у порівнянні зі стандартним. Це дозволить знизити споживання палива літаком в польоті на п'ять відсотків.
Василь Сичов
