Aeroelastischer Entwurf
Im Forschungsthema Aeroelastischer Entwurf befassen wir uns mit verschiedenen Entwurfsaufgaben im Rahmen des aeroelastischen Entwurfs eines Flugzeugs, einer Flugzeugkomponente oder eines Windkanalmodells. Die Methodenentwicklung erstreckt sich vom Konzeptentwurf über den Vorentwurf bis hin zum Detailentwurf für die Fertigung, hier insbesondere von Windkanalmodellen.
Der Schwerpunkt des Entwurfs liegt auf der Struktur und den aeroelastischen Eigenschaften (aeroelastische Lasten, Steuerflächenwirksamkeiten, Flattern und Divergenz). Eine besondere Bedeutung kommt einerseits dem parametrischen Aufbau der Simulationsmodelle für den Entwurf und andererseits dem Einsatz von Faserverbundwerkstoffen zu (Stichwort "aeroelastic tailoring"). Die Zusammenführung von parametrischer Modellierung, Strukturdesign und Lastanalyse führt zu einem parametrischen Designprozess, der ebenfalls in der Gruppe entwickelt wurde und kontinuierlich weiterentwickelt wird. Die vorhandenen Methoden sind auch für den strukturellen Entwurf von Rotorblättern für Windkraftanlagen geeignet.
Parametrische Modellierung
Ziel der parametrischen Modellierung ist es, alle am Entwurfsprozess beteiligten Simulationsmodelle mit Hilfe typischer Parameter aus dem Flugzeugentwurf (z.B. Profilkoordinaten, Planformparameter des Flügels) bzw. typischer Parameter aus dem Tragwerksentwurf (Parameter zur Beschreibung der Konstruktion eines tragenden Bauteils, z.B. Holm- und Rippenpositionen bei Flügelkastenstrukturen) aufzubauen. Neben den geometrischen bzw. konstruktiven Parametern umfasst die Parametrisierung auch spezifische Parameter für die Strukturmodellierung als Finite-Elemente-Modell (z.B. Netzfeinheit), die aerodynamische Modellierung, die Kopplungsmodelle zwischen Aerodynamik und Struktur und das Strukturoptimierungsmodell. Letzteres umfasst die parametrische Definition von Entwurfsvariablen (z.B. Wanddicken eines definierten Entwurfsfeldes) und die Definition von Randbedingungen (z.B. zulässige Spannungen und/oder Dehnungen). Die Software zur parametrischen Modellierung ist das bei AE-LAE entwickelte Computerprogramm ModGen.
Entwurfsprozesskonzept MONA
Das Konzept der parametrischen Modellierung mit ModGen ermöglicht die einheitliche Generierung von Simulationsmodellen für die Lastanalyse, die Strukturoptimierung und die aeroelastische Analyse für das Gesamtflugzeug oder für Komponenten für MSC Nastran. Der Aufbau eines je nach Aufgabenstellung unterschiedlichen aeroelastischen Entwurfsprozesses (z.B. in einem Shell-Script), bestehend aus parametrischer Modellierung mit ModGen und der Anwendung von MSC Nastran für die Lastanalyse, aeroelastische Analyse und Strukturoptimierung wird als MONA bezeichnet.
Parametrischer Entwurfsprozess cpacs-MONA
Der parametrische Entwurfsprozess cpacs-MONA für das Gesamtflugzeug vereint zum einen das Konzept der parametrischen Modellierung, der Lastanalyse und der Strukturoptimierung in einem integralen Prozess. Zum anderen ermöglicht die Schnittstelle zum CPACS-Datenformat die Nutzung von Flugzeugkonfigurationsdaten in einer DLR-weit standardisierten Form. MONA steht für das gleichnamige Entwurfsprozesskonzept, bestehend aus dem parametrischen Modellgenerator ModGen und dem umfangreichen Strukturanalyseprogramm MSC Nastran. Letzteres wird sowohl für die Lastanalyse des flexiblen Flugzeugs als auch für die komponentenweise Strukturoptimierung und die aeroelastische Analyse (z.B. Flatteranalyse) eingesetzt. Dem MONA Entwurfsprozess aus parametrischer Modellierung, Lastanalyse und Strukturoptimierung sind Berechnungsmodule zur Ermittlung erster Lasten vor der Strukturauslegung sowie zum Aufbau eines ersten Massenmodells für die Flugzeugkonfiguration inklusive verschiedener Massenmodelle für Beladungs- und Betankungsszenarien vorgeschaltet. Schnittstellen zu extern ermittelten Lasten bzw. die Übernahme von Strukturparametern aus externen FE-Modellen sind ebenfalls vorhanden. Um eine nachhaltige Softwareentwicklung von cpacs-MONA zu gewährleisten, werden Git-basierte Versionskontrollsysteme eingesetzt.
Aeroelastic Tailoring
Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen bietet bei der Strukturauslegung von Flugzeugflügeln zusätzliche Möglichkeiten zur Auslegung der Struktur hinsichtlich aeroelastischer Anforderungen (z.B passive Lastabminderung, Steuerflächenwirksamkeit, Flattern). Hierbei wird insbesondere das Konzept der Verwendung sogenannter Laminationsparameter als Entwurfsvariablen in Verbindung mit gradientenbasierten Strukturoptimierungsverfahren eingesetzt und weiterentwickelt. Die für die Dimensionierung notwendigen Fluglasten werden im Rahmen des Aeroelastic Tailoring Prozesses tAElor innerhalb der Strukturoptimierung berechnet, so dass der Einfluss der Lasten infolge der Strukturauslegung direkt in der Strukturoptimierung berücksichtigt werden kann.
Strukturelle Auslegung von Windkanalmodellen
Für die strukturelle Auslegung von Windkanalmodellen zur Untersuchung aeroelastischer Eigenschaften werden Methoden des parametrischen Modellaufbaus eingesetzt (ModGen). Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen ist es damit möglich, bereits in der Entwurfsphase mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells die Detailkonstruktion, wie z.B. den detaillierten Lagenaufbau, in einem geeigneten Strukturmodell abzubilden und entsprechende aeroelastische Analysen durchzuführen.
Konzeptentwurfsmethoden
Noch vor der Verfügbarkeit von Simulationsmodellen (Aerodynamik und Struktur) zur Berechnung von Flugzeuglasten (Flug- und Landelasten) wurden Methoden entwickelt, um mit analytischen Verfahren erste Lasten für ein Flugzeug zu ermitteln. Diese stehen als eigenständige Module in DLR-weiten Entwurfsketten mit CPACS-Schnittstelle zur Verfügung und sind auch im parametrischen Entwurfsprozess cpacs-MONA implementiert.