Przyspieszone, hiperdokładne modelowanie obciążeń umożliwia wydajniejsze projektowanie samolotów
Każdy, kto podczas lotu na wakacje spotkał się z turbulencjami, na własnej skórze przekonał się o tym, że samoloty nie poruszają się w łagodnym i przyjaznym środowisku. W powietrzu powszechne są wiry, gradienty temperatury oraz wzorce pogodowe, mogące powodować gwałtowne ruchy powietrza pod samolotem; ruchy te wywierają znaczące siły (obciążenia) na strukturę statku powietrznego. Również manewry wykonywane przez samolot – takie jak przechylenie w celu zmiany kursu, wznoszenie lub lądowanie – wywołują obciążenie jego elementów strukturalnych. Aby móc zaprojektować bezpieczny samolot, producenci muszą jednak znać maksymalne poziomy, jakie osiągnąć mogą te obciążenia. To umożliwia im dopasowanie wytrzymałości krytycznych części statku powietrznego do największych naprężeń i odkształceń, jakie mogą występować w trakcie lotu. Dotychczas twórcy samolotów nie byli w stanie dokładnie przewidywać tych obciążeń, ponieważ narzędzia do modelowania komputerowego nie były wystarczająco zaawansowane. Eliminowanie błędów Sytuacja ta wkrótce ulegnie jednak zmianie dzięki finansowanemu z funduszy unijnych projektowi ALPES, w ramach którego koordynator projektu Jonathan Cooper z brytyjskiego Uniwersytetu w Bristolu współpracował ze specjalistami od modelowania systemów z Siemens Aerospace Centre of Competence działającego w belgijskim Leuven. Ich celem było opracowanie technik szybkiego modelowania komputerowego, umożliwiających niezwykle dokładne obliczanie obciążeń działających na samoloty. Aby to osiągnąć, zespół ALPES udoskonalił aktualnie stosowany standard modelowania obciążeń od podmuchów wiatru: liczącą sobie 40 lat metodę „Doublet Lattice” (DLM), która jest podatna na błędy i wymaga korekty przy użyciu złożonych analiz wykorzystujących obliczeniową mechanikę płynów (CFD) lub czasochłonnych testów w tunelu aerodynamicznym. „Nowe techniki, które opracowaliśmy w ramach projektu ALPES, korygują wyniki uzyskane metodą DLM w ciągu zaledwie kilku prób w systemie CFD, co umożliwia zarówno szybkie, jak i dokładne przewidywanie obciążeń od podmuchów wiatru” – mówi Cooper. Szacuje on, że obecnie symulacja czynników aerodynamicznych i strukturalnych może być przeprowadzana o 95% szybciej w porównaniu z poprzednią metodą. Nowe rozwiązania można dodatkowo udoskonalać poprzez zastosowanie innych technik modelowania. Dostępność oprogramowania wykonującego te skomplikowane obliczenia będzie znaczącym udogodnieniem dla projektantów samolotów: „Uwzględnienie wszystkich możliwych układów obciążeń, jakie napotkać może samolot podczas całego okresu eksploatacji, wymaga przeprowadzenia setek tysięcy obliczeń” – mówi Cooper. Łatwiejsza optymalizacja samolotów Po ustaleniu obciążeń inżynierowie mogą obliczyć naprężenia całej konstrukcji i zoptymalizować wielkość poszczególnych elementów strukturalnych, takich jak dźwigary skrzydeł i żebra, a także grubość kadłuba oraz powierzchni sterowych. Według Coopera niezwykle istotny jest fakt, że opracowane przez ALPES oprogramowanie pracuje z dużą prędkością, ponieważ cały proces powtarzany jest kilkukrotnie przy każdym obliczeniu. Zespół ALPES wykorzystał już opracowane techniki, aby zaprezentować interesujące wyniki obliczeń obciążeniowych dotyczących nowej w lotnictwie koncepcji: składanych końcówek skrzydeł. Szersza rozpiętość skrzydeł samolotu może zwiększyć jego siłę nośną, zmniejszyć opór oraz poprawić wydajność zużycia paliwa, nawet jeżeli wiąże się to z powstawaniem większych obciążeń. Dłuższe skrzydła nie mieszczą się jednak w standardowych strukturach lotniskowych, dlatego pojawiła się koncepcja końcówek składanych, którą zaproponował między innymi Boeing w konstrukcji modelu 777X. Na lotnisku umocowane zawiasowo końcówki pozostają w położeniu pionowym, podobnie jak w przypadku innych samolotów pasażerskich, jednak przed odlotem obracają się w dół i blokują w położeniu płaskim, zwiększając rozpiętość skrzydeł. „Badania przeprowadzone w ramach projektu ALPES wykazały, że uwzględnienie pewnego stopnia elastyczności w zawiasach podczas lotu pozwala na uzyskanie znaczącego rozszerzenia końcówek skrzydeł przy ograniczonym lub nawet minimalnym wpływie na masę skrzydła” – mówi Cooper. Przyszłe zastosowania Cooper przewiduje, że uzyskane wyniki przyniosą praktyczne zmiany w branży lotniczej. „Badane technologie wspomogą rozwój przyjaznych dla środowiska samolotów i przyspieszą procesy ich projektowania i certyfikacji” – mówi. Ponadto prace rozpoczęte przez ALPES kontynuowane są w ramach AEROGUST, finansowanego ze środków UE projektu intensywnie koncentrującego się na dalszych ulepszeniach w zakresie aeroelastycznego modelowania obciążeń od podmuchów i uskoków wiatru – zarówno w kontekście lotnictwa, jak i turbin wiatrowych.
Słowa kluczowe
ALPES, samolot, samolot pasażerski, lotnictwo, szacowanie obciążeń, tolerancja uszkodzeń, struktury, maksymalne obciążenie, symulacja, bezpieczeństwo
