Aeroelastischer Entwurf
Die Gruppe Aeroelastische Entwurf ist mit unterschiedlichen Entwurfsaufgaben im Rahmen des aeroelastischen Entwurfs eines Flugzeugs, einer Flugzeugkomponente oder eines Windkanalmodells befasst. Die Methodenentwicklung reicht von Verfahren im Konzeptentwurf über den Vorentwurf bis zum Detailentwurf für die Fertigung, hier insbesondere von Windkanalmodellen. Die vorhandenen Methoden sind ebenfalls für den strukturellen Entwurf von Rotorblättern bei Windkraftanlagen geeignet.
Im Mittelpunkt stehen beim Entwurf die Struktur und die aeroelastischen Eigenschaften (aeroelastische Lasten, Steuerflächenwirksamkeiten, Flattern und Divergenz). Eine besondere Bedeutung kommt auf der einen Seite dem parametrischen Aufbau der Simulationsmodelle für den Entwurf zu, als auch dem Einsatz von Faserverbundmaterialien (Stichwort „aeroelastic tailoring). Die Zusammenführung der parametrischen Modellierung, des strukturellen Entwurfs und der Lastanalyse, führt zu einem parametrischen Entwurfsprozess, der ebenfalls in der Gruppe entwickelt wurde und stetig weiterentwickelt wird.
Parametrische Modellierung
Ziel der parametrischen Modellierung ist der Aufbau aller am Entwurfsprozess beteiligten Simulationsmodelle mit Hilfe typischer Parameter aus dem Flugzeugentwurf (z.B. Profilkoordinaten, Planformparameter Flügel) bzw. typischer Parameter aus dem Entwurf tragender Strukturen (Parameter zur Beschreibung der Konstruktion eines tragenden Bauteils, z.B. Holm- und Rippenpositionen bei Flügelkastenstrukturen). Neben den geometrischen bzw. konstruktiven Parametern, gehören zur Parametrierung ebenfalls spezifische Parameter für die strukturelle Modellierung als finite Elemente Modell, 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 der Restriktionen (z.B. zulässige Spannungen und/oder Dehnungen). Das zur parametrischen Modellierung zugehörige Software ist das bei AE-LAE entwickelt Computerprogramm ModGen.
Entwurfsprozesskonzept MONA
Das Konzept der parametrischen Modellierung mit ModGen erlaubt es, Simulationsmodelle für die Lastanalyse, die Strukturoptimierung und die aeroelastische Analyse für das gesamte Flugzeug oder für Komponenten für MSC Nastran zu generieren. 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, die aeroelastische Analyse und die Strukturoptimierung wird MONA genannt.
Parametrischer Entwurfsprozess cpacs-MONA
Der parametrische Entwurfsprozess cpacs-MONA für das gesamte Flugzeug vereint zum einen das Konzept der parametrischen Modellierung, der Lastanalyse und der Strukturoptimierung in zu einem integralen Prozess. Zum anderen ermöglicht die Schnittstelle zum CPACS Datenformat die Nutzung von Flugzeugkonfigurationsdaten in einer standardisierten Form, die DLR-weit verwendet wird. MONA steht für das gleichnamige Entwurfsprozesskonzept, also für den parametrischen Modellgenerator ModGen und für das weitreichende Strukturanalyseprogram MSC Nastran. Letzteres wird sowohl für die Lastanalyse für das flexible Flugzeug, für die komponentenweise Strukturoptimierung und die aeroelastische Analyse (z.B. Flatteranalyse) verwendet. Dem Entwurfsprozess aus parametrischer Modellierung Lastanalyse und Strukturoptimierung sind Berechnungsmodule zur Ermittlung von ersten Lasten, bevor die Struktur ausgelegt wird sowie zum Aufbau eines ersten Massenmodells für die Flugzeugkonfiguration inklusive unterschiedlicher Massenmodelle für Beladung- und Betankungsszenarien. Um eine nachhaltige softwaretechnischen Entwicklung von cpacs-MONA zu gewährleisten, werden Git-basierte Versionskontrollsysteme eingesetzt.
Aeroelastic Tailoring
Der Einsatz von Faserverbundmaterial bietet bei der Strukturauslegung von Flugzeugflügeln weitere Möglichkeiten die Struktur hinsichtlich aeroelastischer Anforderungen zu dimensionieren. Hierbei wird insbesondere das Konzept der Verwendung der sogenannten Laminationparameter in Verbindung mit gradientenbasierten Strukturoptimierungsmethoden eingesetzt und weiterentwickelt. Die für die Dimensionierung benötigten Fluglasten werden im Aeroelastic Tailoring Prozess in der Gruppe Entwurf innerhalb der Strukturoptimierung berechnet, so dass der Einfluss der Lasten infolge der Strukturauslegung direkt in der Strukturoptimierung berücksichtigt werden kann.
Strukturelle Auslegung von Windkanalmodellen
Zur strukturellen Auslegung von Windkanalmodellen, die zur Untersuchung aeroelastischer Eigenschaften eingesetzt werden sollen, werden die Methoden des parametrischen Modellaufbaus verwendet. Bei der Verwendung von Faserverbundmaterial können dadurch bereits beim Entwurf mit Hilfe eines Finite Elemente Modells, die Detailkonstruktion, wie der dezidierte Lagenaufbau, in einem geeigneten Strukturmodell abgebildet werden und entsprechende aerolastische Anlysen vorgenommen werden
Konzeptentwurfsmethoden
Noch bevor Simulationsmodelle (Aerodynamik und Struktur) für die Berechnung von Flugzeuglasten verfügbar sind, wurden Methoden entwickelt, mit denen mit analytischen Verfahren, erste Lasten für ein Flugzeug zu ermitteln. Diese werden sind als eigenständige Module in DLR-weiten Entwurfsketten mit CPAC-Schnittstelle verfügbar und ebenfalls im parametrischen Entwurfsprozess cpacs-MONA implementiert