MONA
Leistungsstarkes Konzept zur aeroelastischen Bewertung von Flugzeugkonfigurationen
MONA ist ein effektives und zuverlässiges Werkzeug für Entwickler, Forscher und Ingenieure, die in den Anfangsphasen bei der Entwicklung neuer Flugzeugkonfigurationen fundierte, schnelle und sichere Entscheidungen treffen müssen. Dies ist besonders bedeutsam bei innovativen oder unkonventionellen Flugzeugkonzepten.
MONA
MONA ist ein Entwurfskonzept zur aeroelastischen Bewertung von Flugzeugkonfigurationen. Es kombiniert den parametrischen Modellgenerator ModGen mit der Finite-Elemente-Analyse Software MSC Nastran um konstruktionsnahe globale Finite-Elemente-Modelle (GFEM) von Flugzeugen zu erstellen und zu bewerten. MONA ermöglicht die physikbasierte Lastanalyse und die Bewertung der Struktur bezüglich der resultierenden Masse in Anbetracht der wirkenden Spannungen/Dehnungen sowie der resultierenden Verformungen im Reiseflug. Zudem ermöglicht MONA die Untersuchung der aeroelastischen Eigenschaften inklusive der Steuerflächenwirksamkeit und der Stabilitätsvorhersage der Gesamtflugzeugkonfiguration. Das ermöglicht die frühzeitige, sichere und effiziente Auslegung komplexer Flugzeugstrukturen – insbesondere für innovative Konzepte wie Konfigurationen mit extrem schlanken und langgestreckten Flügeln oder unkonventionelle (hybrid-) elektrische Flugzeuge mit verteilten Antrieben, bei denen klassische empirische Entwurfsansätze an ihre Grenzen kommen.
Wesentliche Merkmale
Das Entwurfskonzept MONA basiert auf einer integrierten Vorgehensweise zur physikbasierten aeroelastischen Bewertung von Flugzeugkonfigurationen. Es kombiniert den parametrischen Modellgenerator ModGen mit der kommerziellen Finite-Elemente-Analyse-Software MSC Nastran. Dabei werden globale Finite-Elemente-Modelle (GFEM) von Flugzeugstrukturen automatisiert erstellt, eine umfassende Lastanalyse am Gesamtflugzeug durchgeführt sowie die Struktur dimensioniert und bewertet.
Auf dieser Basis können präzise Aussagen getroffen werden über:
- Entstehende Bauteillasten unter verschiedenen Flug- und Betriebszuständen (z. B. manövrierbedingt, durch Turbulenzen und durch Landungen),
- Strukturmassen, Steifigkeitsverteilungen und strukturdynamische Eigenschaften von Strukturen und Bauteilen,
- Verformungen vom Flügel für unterschiedliche Flugpunkte sowie Beladungs- und Betankungszustände,
- Aeroelastische Bewertung der Flattergrenzen oder der Effizienz von Steuerflächen.
Die strukturelle Auslegung erfolgt dabei nicht mehr auf Basis von Vereinfachungen oder Erfahrungswerten, sondern auf der Grundlage von physikbasierten Simulationen und mathematischen Optimierungsmethoden, die durch die Kombination aus ModGen und MSC Nastran ermöglicht werden. Die Ergebnisse fließen direkt in eine komponentenweise strukturelle Optimierung ein, wobei Spannungs-, Dehnungs-, Beul- oder Ermüdungsbeschränkungen der Bauteile berücksichtigt werden können.
cpacs-MONA – der automatisierte Entwurfsprozess
Durch die enge Kopplung von CPACS (Common Parametric Aircraft Configuration Schema), ModGen und MSC Nastran wird MONA zu einem leistungsstarken Tool: cpacs-MONA. Es generiert auf Basis von CPACS-Datensätzen automatisiert Strukturen von Flugzeugen (GFEM), analysiert deren Lasten und optimiert die Struktur. Durch die Integration von ModGen in den cpacs-MONA Workflow wird die Erstellung von realistischen und konstruktionsnahen Strukturmodellen in frühen Entwurfsphasen erheblich beschleunigt. ModGen generiert dabei parametrisierte Geometrien und Strukturdaten auf Basis von CPACS-Daten, die direkt in MSC Nastran überführt werden. Dies ermöglicht eine schnelle physikbasierte Simulation der flexiblen tragenden Struktur – inklusive der dynamischen Wechselwirkung zwischen Aerodynamik und Struktur. cpacs-MONA ist ein zentrales Werkzeug für die sichere und effiziente Auslegung innovativer Flugzeugkonzepte.
Im DLR sowie in zahlreichen deutschen und europäischen Forschungsprojekten ist cpacs-MOMA ein etabliertes Werkzeug zur Ermittlung von Lasten, zum Aufbau und der Dimensionierung von GFEM-Modellen in multidisziplinären Optimierungs-Ketten (MDO) sowie für die aeroelastische Bewertung unterschiedlichster Flugzeugkonfigurationen.
Anwendungsgebiete
- Ein namhafter Flugzeughersteller möchte ein neues Flugzeug entwickeln. Mit MONA generieren die Entwicklungsteams innerhalb von Stunden mehrere Varianten der Planform, führen Lastanalysen durch und optimieren die Struktur – und beschleunigen den Entwicklungsprozess so signifikant.
- Ein Team eines Luftfahrtunternehmens optimiert die aerodynamische Performance seines Flügels für verschiedene Flugzustände, indem elastische GFEM-Modelle mit CFD-Netzen gekoppelt werden. So kann der Widerstand unter realistischen Flügelverformungen minimiert und gleichzeitig der Einfluss auf das Strukturgewicht und das aeroelastische Verhalten bewertet werden. Zudem kann damit die Bauform des Flügels, der sogenannte jig-shape, ermittelt werden – und all das in einer einheitlichen und integrierten Lösung.
- Ein kleines Start-up entwickelt einen eVTOL für städtische Luftmobilität. Mit MONA können die Entwickler innerhalb weniger Tage für mehrere Konfigurationen die relevanten Lasten ermitteln, die Struktur auslegen sowie die aeroelastischen Eigenschaften untersuchen um die Konfigurationen umfassend zu bewerten – und können somit ihren Fokus auf die innovative Auslegung legen.
- Ein Forschungsteam entwickelt ein neues Konzept für ein elektrisch angetriebenes Flugzeug. Mit MONA testet das Team verschiedene Materialien der tragenden Struktur und unterschiedliche Antriebskonzepte, analysieret die Steuerflächenwirksamkeit und optimiert die Massenverteilung – und all das in einem automatisierten Prozess.
