Análise de características estruturais e aerodinâmicas de perfis NACA 4 e 5 dígitos do ponto de vista de MDO
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Data
2021-06-29
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Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
O presente trabalho se propõe a analisar comparativamente a influência da espessura e curvatura de aerofólios sobre os parâmetros estruturais e peso de seções de asas, comparando as mudanças na eficiência aerodinâmica que essas mudanças trazem para a eficiência estrutural de uma seção de asa de um determinado formato de aerofólio. Para isso, diferentes famílias de aerofólios NACA de 4 e 5 dígitos são utilizadas como forma básica para a caixa de torção de estruturas de asas metálicas semi-monocoque; então, os pesos dessas estruturas de asa são otimizados variando o número e a geometria dos reforçadores, usando T, Z, J, e seções transversais de chapéu predeterminadas, e a espessura de cada painel, limitada pelas tensões de flambagem máximas para essa geometria, usando um algoritmo genético pré-implementado nas bibliotecas Python. As tensões são retiradas da flexão e cisalhamento da estrutura da asa e são calculadas usando um modelo analítico clássico, automatizado em linguagem Python, para flexão assimétrica e fluxo de cisalhamento em vigas fechadas reforçadas de parede fina, com base nas cargas aerodinâmicas e inerciais calculadas para cada aerofólio usando XFOIL, os quais, equilibram as cargas inerciais da aeronave em situação crítica de voo em cruzeiro. Embora a eficiência aerodinâmica esteja diretamente ligada à espessura e curvatura dos aerofólios, esta análise visa comparar a influência do ganho de eficiência aerodinâmica sobre o peso, uma vez que a mudança do aerofólio influencia diretamente na posição do centro de cisalhamento e na distribuição de flexão e de cisalhamento, que podem levar a um ganho líquido neutro ou mesmo negativo na relação arrasto / peso. Em primeiro lugar, são apresentados os resultados relativos ao impacto de diferentes parâmetros e modelos de algoritmos genéticos, como mutação, cruzamento e razão de elitismo, sobre a convergência do modelo. Finalmente, foi realizada uma análise da influência da espessura e curvatura dos aerofólios por meio da comparação dos resultados para os diferentes membros das famílias NACA escolhidas, comparando diferentes métricas de desempenho com as métricas de eficiência estrutural da estrutura otimizada como peso, número e geometria de reforçadores.
The present work proposes to comparatively analyze the influence of thickness and curvature of airfoils on the structural parameters and weight of wing sections, comparing the changes on aerodynamic efficiency these changes bring to the structural efficiency of an optimal wing section of a given airfoil shape. For that, different families of 4- and 5-digit NACA airfoil are used as the basic shape for the torque box of semi-monocoque metallic wing structures; then these wing structures weights are optimized by varying the number and shape of stringers, using predetermined T, Z, J, K and hat cross sections, and the thickness of each panel, bounded by the maximum buckling stresses for that geometry, using a genetic-algorithm pre-implemented within Python libraries. The stresses are taken from the bending and shear of the wing structure and are calculated using a classic analytical model, automated in Python language, for asymmetric bending and shear flow in thin reinforced closed beams based on the aerodynamic and inertial loads calculated for each airfoil using XFOIL that balance the aircraft inertial loads during a critical maneuver flight case. Although the aerodynamic efficiency is directly linked to the thickness and curvature of the airfoils, this analysis aims to compare the influence of the aerodynamic efficiency gain on the weight, since the change of airfoil directly influences the position of the shear center and the distribution of bending and shear loads, which can lead to a neutral or even negative net gain in drag/weight ratio. First, results regarding the impact of different genetic algorithm parameters and models such as mutation, crossover and elitism ratio over the convergence of the model are shown. Finally, an analysis of the influence of thickness and curvature of the airfoils through comparing the results for the different members of the chosen NACA families by comparing different performance metrics to the structural efficiency metrics of the optimized structure like weight, number and shapes of stringers and maximum stresses.
The present work proposes to comparatively analyze the influence of thickness and curvature of airfoils on the structural parameters and weight of wing sections, comparing the changes on aerodynamic efficiency these changes bring to the structural efficiency of an optimal wing section of a given airfoil shape. For that, different families of 4- and 5-digit NACA airfoil are used as the basic shape for the torque box of semi-monocoque metallic wing structures; then these wing structures weights are optimized by varying the number and shape of stringers, using predetermined T, Z, J, K and hat cross sections, and the thickness of each panel, bounded by the maximum buckling stresses for that geometry, using a genetic-algorithm pre-implemented within Python libraries. The stresses are taken from the bending and shear of the wing structure and are calculated using a classic analytical model, automated in Python language, for asymmetric bending and shear flow in thin reinforced closed beams based on the aerodynamic and inertial loads calculated for each airfoil using XFOIL that balance the aircraft inertial loads during a critical maneuver flight case. Although the aerodynamic efficiency is directly linked to the thickness and curvature of the airfoils, this analysis aims to compare the influence of the aerodynamic efficiency gain on the weight, since the change of airfoil directly influences the position of the shear center and the distribution of bending and shear loads, which can lead to a neutral or even negative net gain in drag/weight ratio. First, results regarding the impact of different genetic algorithm parameters and models such as mutation, crossover and elitism ratio over the convergence of the model are shown. Finally, an analysis of the influence of thickness and curvature of the airfoils through comparing the results for the different members of the chosen NACA families by comparing different performance metrics to the structural efficiency metrics of the optimized structure like weight, number and shapes of stringers and maximum stresses.
Descrição
Palavras-chave
Aeronaves, Engenharia aeroespacial, Alumínio Estruturas, Algoritmos genéticos, Otimização matemática