مدل‌سازي، تحليل و بهينه‌سازي سازه‌ي لبه حمله‌ي بال هواپيما در برابر برخورد پرنده

Simulation, analysis and optimization of airplane wing leading edge structure against bird strike

در اين پژوهش به كمك نرم افزار Ls-Dyna و با استفاده از روش هيدروديناميك ذرات هموارشده به شبيه‌سازي نرم‌افزاري برخورد پرنده به لبه حمله‌ي بال يك هواپيما و بهينه‌سازي آن پرداخته ‌شده است. به منظور بررسي صحت نتايج مدل‌سازي، ابتدا برخورد پرنده به يك صفحه‌ي مسطح آلومينيومي شبيه‌سازي شده و مقادير كرنش‌ها و تغيير شكل‌هاي ايجادشده در صفحه‌ي هدف در شبيه‌سازي نرم‌افزاري و آزمايش تجربي با هم مقايسه شده است. پس از حصول اطمينان از صحت نتايج، به مدل‌سازي برخورد پرنده به سازه‌ي لبه‌ حمله‌ي بال يك هواپيما پرداخته شده است. در مرحله‌ي بعد، با در نظر گرفتن مشخصات اجزاي سازه‌ي بال به‌عنوان متغيرهاي طراحي، سعي شده است تا مقادير جرم سازه و تغيير شكل پوسته‌ي بال در اثر برخورد پرنده كه به‌عنوان توابع هدف در نظر گرفته شده‌اند كمينه شود. براي اين كار ابتدا با استفاده از روش سطح پاسخ، رابطه‌ي بين متغيرهاي طراحي و توابع هدف پيش‌بيني شده و سپس به كمك الگوريتم ژنتيك چندهدفه بر پايه‌ي جبهه‌ي پارتو به كمينه‌سازي جرم و ميزان تغيير شكل سازه‌ي بال در اثر برخورد پرنده پرداخته شده است. در نهايت به ازاي مقادير مختلف جرم در نظر گرفته‌شده براي سازه، ابعاد اجزاي سازه‌ي بال به‌گونه‌اي تعيين شده‌اند كه بال كم‌ترين آسيب را پس از برخورد متحمل شود.

A bird strike incident is one of the most dangerous threats to flight safety. In this study, Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) method has been used for simulating the bird strike to an airplane wing leading edge structure using Ls-Dyna software. In order to verify the model, first, experiment of bird strike to a flat Aluminum plate has been simulated and strains and deformations on target plate have been compared with experimental results. Simulation outputs are in good agreement with experimental results. Then bird impact on an airplane wing leading edge structure has been investigated. At the next stage, considering dimensions of wing internal structural components like ribs, skin and spar as design variables, it has been tried to minimize structural mass and wing skin deformation simultaneously. To do this, relations between design variables and cost functions have been predicted by Response Surface Method (RSM), then Pareto based multi objective genetic algorithm has been used to minimize structural mass and wing skin deformation due to the bird strike. Finally dimensions of wing internal structural components are determined in such a way that wing’s damage after the collision with a bird becomes minimal.