Optimización aerostructural geométricamente no lineal de alta fidelidad para alas altamente flexibles

Área de la Ciencia:

• Ingeniería Aeroespacial
• Mecánica Computacional
• Teoría de la Optimización

Sus antecedentes:

• Los avances en Optimización de Diseño Multidisciplinario (MDO) permiten el diseño simultáneo aerodinámico y estructural de alas utilizando modelos de alta fidelidad.
• Los métodos actuales de MDO compensan con precisión la resistencia y la masa, pero tienen dificultades con el comportamiento geométricamente no lineal en alas de alto alargamiento.
• El análisis estructural lineal es insuficiente para modelar la flexibilidad extrema y las no linealidades de las alas de aeronaves de próxima generación.

Objetivo del estudio:

• Demostrar la primera optimización simultánea de la forma aerodinámica y el dimensionamiento estructural del ala utilizando modelos geométricamente no lineales de alta fidelidad.
• Desarrollar e implementar herramientas computacionales para el análisis estructural no lineal y el acoplamiento aeroelástico.
• Investigar el impacto de la no linealidad geométrica en el diseño y rendimiento de alas de aeronaves altamente flexibles.

Principales métodos:

• Implementación de un novedoso elemento de lámina geométricamente no lineal, un solucionador no lineal eficiente y un modelo constitutivo para láminas reforzadas.
• Acoplamiento del análisis estructural no lineal con Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) a través de un esquema de transferencia geométricamente no lineal.
• Optimización del ala de un avión comercial de pasillo único con 547 variables de diseño y 1277 restricciones.

Principales resultados:

• Los diseños optimizados exhiben una flexibilidad extrema (relación de aspecto > 19, deflexiones > 30% de la semisumisión).
• La no linealidad geométrica tuvo un impacto mínimo en el rendimiento aerodinámico, la planta y la masa general de la aeronave.
• El efecto Brazier, un fenómeno no lineal, introduce cargas internas significativas que el análisis lineal no detecta, lo que requiere métodos no lineales para diseños factibles.

Conclusiones:

• El marco desarrollado proporciona la base computacional para diseñar alas de alto alargamiento de próxima generación.
• Explotar la flexibilidad extrema del ala a través del análisis geométricamente no lineal es clave para diseñar aeronaves más eficientes.
• Esta investigación permite la búsqueda de diseños de alas innovadores al tratar la flexibilidad extrema como una oportunidad, no como una limitación.