Otimização multidisciplinar em projeto de asas flexíveis

A indústria aeronáutica vem promovendo avanços tecnológicos em velocidades crescentes, para sobreviver em mercados extremamente competitivos. Neste cenário, torna-se imprescindível o uso de ferramentas de projeto que agilizem o desenvolvimento de novas aeronaves. Os atuais recursos computacionais permitiram um grande aumento no número de ferramentas que auxiliam o trabalho de projetistas e engenheiros. O projeto de uma aeronave é uma tarefa multidisciplinar por essência, o que logo incentivou o desenvolvimento de ferramentas computacionais que trabalhem com várias áreas ao mesmo tempo. Entre elas se destaca a otimização multidisciplinar em projeto, que une métodos de otimização à modelos matemáticos de áreas distintas de um projeto para encontrar soluções de compromisso. O presente trabalho introduz a otimização multidisciplinar em projeto (Multidisciplinary Design Optimization - MDO) e discorre sobre algumas aplicações possíveis desta metodologia. Foi realizada a implementação de um sistema de MDO para o projeto de asas flexíveis, considerando restrições de aeroelasticidade dinâmica e massa estrutural. Como meta, deseja-se encontrar distribuições ideais de rigidezes flexional e torcional da estrutura da asa, para maximizar a velocidade crítica de flutter e minimizar a massa estrutural. Para tanto, foram utilizados um modelo dinâmico-estrutural baseado no método dos elementos finitos, um modelo aerodinâmico não-estacionário baseado na teoria das faixas e nas soluções bidimensionais de Theodorsen, um modelo de previsão de flutter que utiliza o método K e, por fim, um otimizador baseado no método de algoritmos genéticos (AGs). São apresentados os detalhes empregados em cada modelo, as restrições aplicadas e a maneira como eles interagem ao longo da otimização. É feita uma análise para a escolha dos parâmetros de otimização por AG e em seguida a avaliação de dois casos, para verificação da funcionalidade do sistema implementado. Os resultados obtidos demonstram uma metodologia eficiente, que é capaz de buscar soluções ótimas para problemas propostos, que com devidos ajustes pode ter enorme valor para acelerar o desenvolvimento de novas aeronaves. The aeronautical industry is always trying to speed up technological advances in order to survive in extremely competitive markets. In this scenario, the use of design tools to accelerate the development of new aircraft becomes essential. Current computational resources allow greater increase in the number of design tools to assist the work of aeronautical engineers. In essence, the design of an aircraft is a multidisciplinary task, which stimulates the development of computational tools that work with different areas at the same time. Among them, the multidisciplinary design optimization (MDO) can be distinguished, which combines optimization methods to mathematical models of distinct areas of a design to find compromise solutions. The present work introduces MDO and discourses on some possible applications of this methodology. The implementation of a MDO system for the design of flexible wings, considering dynamic aeroelasticity restrictions and the structural mass, was carried out. As goal, it is desired to find ideal flexional and torsional stiffness distributions of the wing structure, that maximize the critical flutter speed and minimize the structural mass. To do so, it was employed a structural dynamics model based on the finite element method, a nonstationary aerodynamic model based on the strip theory and Theodorsen’s two-dimensional solutions, a flutter prediction model based on the K method and a genetic algorithm (GA). Details on the model, restrictions applied and the way the models interact to each other through the optimization are presented. It is made an analysis for choosing the GA optimization parameters and then, the evaluation of two cases to verify the functionality of the implemented system. The results obtained illustrate an efficient methodology, capable of searching optimal solutions for proposed problems, that with the right adjustments can be of great value to accelerate the development of new aircraft.