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航空航天科学与技术 - Re.Public@polimi.it
本研究旨在通过控制复合机翼结构元件的屈曲行为来设计新型可定制且有效的机制，以供未来的变形应用。与传统的防屈曲设计不同，我们的想法是通过使用非线性后屈曲响应来控制刚度变化以重新分配机翼结构中的载荷，从而接受这种内在的不稳定性。为了实现所需的多稳态配置，通过使用点、面积和最大位移约束来抑制平面外屈曲变形，研究了三种屈曲驱动机制。首先在复合板上对所提出的机制进行数值研究，然后将其集成以控制简化的薄壁复合翼盒的扭曲。所提出的机制为多稳态配置提供了有效的设计机会，并展示了通过控制结构部件的屈曲行为实现复合机翼变形的潜力。
基于 MBSE 的需求验证框架，用于支持 MDAO 流程
根据项目管理协会的一项研究，约 47% 的不成功项目由于需求管理不善而未能实现其目标。在飞机设计过程中考虑需求并确保在所有设计阶段都符合需求对于获得良好且可行的飞机设计非常重要。但是，典型的飞机设计过程非常复杂，需要考虑许多要求。本文提出了一种新框架，通过在基于模型的系统工程和多学科设计分析与优化 (MDAO) 之间建立直接联系来实现设计过程中的需求。基于模型的需求直接在优化问题中实现，并根据需求验证方法制定 MDAO 工作流程。当需求或验证方法发生变化时，工作流程会相应自动更新。这样，可以根据优化或分析结果自动执行或检查需求合规性。自动生成的需求报告提供了有关需求合规性结果的信息。该框架已在软件原型中实现，并应用于翼盒设计，展示了框架的功能。借助该框架，从需求到产品设计的可追溯性得到改善，因为所有利益相关者都可以看到设计流程是如何制定的以及如何实现需求合规性。此外，可以获得满足所有利益相关者需求的优化设计。
商用运输飞机复合材料机翼...
1 引言 近年来复合材料被广泛应用于运输飞机的制造。复合材料在商用运输中的首次重大应用是空客 1983 年为 A300/310 飞机采用的全复合材料方向舵。1985 年，空客也在同样的型号中引入了复合材料垂直尾翼。随着 A300/310 的成功，空客为 A320 飞机引入了全复合材料尾翼结构。A320 飞机的复合材料重量占结构重量的 15%。1970 年代末，NASA 和波音、洛克希德、MD 等主要机身公司启动了 ACEE 计划。该计划的主要目标是通过使用复合材料来减轻机身结构重量。在 ACEE 计划中，B737 的尾翼被复合材料取代，MD 为商用运输飞机开发了全复合材料机翼，洛克希德为 L1011 设计了新的复合材料垂直尾翼和副翼。在美国，复合材料在民航客机上应用最为广泛的是B777，复合材料结构占B777结构重量的10%，B777的尾翼、地板梁、襟翼和外副翼均采用复合材料制造。空客和波音最近研制的民航客机的机身和机翼结构也采用了复合材料，A350和B787的复合材料重量比将超过50%，两款飞机的翼盒和机身结构均采用了复合材料。
高效远程飞机的最佳机翼纵横比
这项工作调查了较高纵横比翼的潜力，以提高远程飞机的燃料效率。高纵横比机翼的主要特征是讨论的，并提出了航空结构机翼优化的过程。基于尾边控制表面偏转的自适应机翼技术，以实现最佳的升力分布，从而最大程度地减少巡航战斗中的阻力并最大程度地减少操纵流的负载减少，并由高级结构技术通过增加的应变易于应变和后式结构技术来补充。在优化过程中，使用高实现模拟方法来确定跨性别巡航流中的权限，机翼上的机翼上的载荷和复合机翼盒的质量。在所有流动条件下都考虑了静态气动弹性效应。最小化三个典型战斗任务的燃油消耗代表了目标函数。考虑控制表面和飞机装饰的几何整合。该过程的应用以优化机翼平面形，扭曲分布和控制表面变化构成了本出版物的主要部分。结果显示了12个顺序的最佳机翼纵横比。将纵横比的进一步增加到13。5显示空气动力学性能和由此产生的燃料消耗没有进一步改善。
基于轻量级传感器网络和特征数字序列的飞机智能复合材料蒙皮冲击监测
摘要：由于复合材料在飞机结构中的应用越来越广泛，需要开发能够对大型复合材料结构进行冲击监测的飞机智能复合材料蒙皮（ASCS）。然而，飞机复合材料结构的冲击是一个随机瞬态事件，需要连续在线监测。因此，ASCS的传感器网络和相应的需要作为机载设备安装在飞机上的冲击监测系统必须满足轻量化、低功耗和高可靠性的要求。为了实现这一点，已经提出并开发了一种基于压电传感器和导波的冲击区域监测器（IRM）。它将压电传感器输出的冲击响应信号转换为特征数字序列（CDS），然后采用简单但有效的冲击区域定位算法，实现轻量化和低功耗的冲击监测。但由于ASCS传感器数量庞大，轻量化传感器网络的实现仍是实现可应用的ASCS进行在线连续撞击监测的关键问题。本文提出了三种轻量化压电传感器网络，包括连续串联传感器网络、连续并联传感器网络和连续异构传感器网络。它们可以大大减少ASCS压电传感器的引线，也可以大大减少IRM的监测通道。此外，还提出了基于CDS和轻量化传感器网络的撞击区域定位方法，以使轻量化传感器网络可以应用于具有大量压电传感器的ASCS的在线连续撞击监测。在某无人机复合材料翼盒上验证了轻量化压电传感器网络及相应的撞击区域定位方法。弹着点定位准确率高于92%。
空中客车量子计算挑战赛
多学科设计优化是航空航天工业面临的持续挑战，导致设计交付周期长和优化潜力尚未开发。量子计算可能为实现覆盖整个设计空间的高效多参数优化提供一条可行的途径。在这里，我们要求将量子计算解决方案应用于涉及机身载荷、质量建模和结构分析的问题。目标是在优化重量的同时保持结构完整性。重量优化是降低运营成本和减少环境影响的关键。挑战出现在同时计算各种飞机设计配置时，而这目前无法通过传统计算实现。通过模拟适航法规要求的关键飞行事件来证明结构完整性。选择一个代表性案例并以简化形式呈现为挑战。飞机模型在各种燃料分布和各种飞行条件下承受静态（时间无关）机动载荷或动态阵风载荷（时间相关）。应优化翼盒的结构尺寸参数以获得最小重量解决方案。本质上，在最简单的情况下，我们正在寻找一个结构参数向量 p，使得与质量相对应的线性函数 w(p) 最小化，同时满足以下约束：对于由 p 参数化的固定矩阵 K 和向量 F j ，线性系统集 𝐾(𝑝)〈𝑥〉= 𝐹 𝑗 ，对于给定的储备函数 RF，有一个解 𝑅𝐹(〈𝑥〉) > 1 。在技术档案中描述了更复杂的情况。请注意，位移 〈𝑥〉 会转换为内部载荷，而内部载荷可能取决于参数。因此，最好使用基于应力许用值的应力约束，其中 RF 是约束与最小值（负值）或最大值之间的比率。可能还可以使用冯·米塞斯极限。
未来的飞机结构设计
[1] E.H. Baalbergen, E. Moerlan, W.F.Lammen, P.D.Ciampa (2017) 支持未来飞机高效协同设计的方法。NLR-TP-2017-338。[2] A.J.de Wit, W.F.Lammen, H.S.Timmermans, W.J.Vankan, D. Charbonnier, T. van der Laan, P.D.Ciampa (2019) 飞机供应链的协同设计方法：多级优化。NLR-TP-2019-202。[3] W.F.Lammen, P. Kupijai, D. Kickenweitz, T. Laudan (2014) 将发动机制造商的知识整合到初步飞机尺寸确定过程中。NLR-TP-2014-428。[4] E. Amsterdam, J.W.Wiegman, M. Nawijn (2021) 铝合金疲劳裂纹扩展速率的幂律行为和转变。国际疲劳杂志，待提交。[5] F.P.Grooteman (2020) 使用光纤布拉格光栅传感器进行多载荷路径损伤检测。NLR-TP-2020- 415。[6] F.P.Grooteman (2019) 概率故障安全结构风险分析。NLR-TP-2020-416。在 2019 年 ASIP（飞机结构完整性计划）会议上发表。[7] F.P.Grooteman, E. Lee, S. Jin, M.J. Bos (2019) 极限载荷系数降低。在 2019 年 ASIP（飞机结构完整性计划）会议上发表。[8] E. Amsterdam, F.P.Grooteman (2016) 应力状态对疲劳裂纹扩展幂律方程指数的影响。NLR-TP-2016-064。[9] E. Amsterdam (2021) 金属合金拉伸-拉伸疲劳裂纹扩展速率的现象学模型。待提交。[10] W.J.Vankan, W.M.van den Brink, R. Maas (2017) 飞机复合材料机身结构模型的验证与相关性——初步结果。NLR-TP-2016-172。[11] J.W.van der Burg, B.B.Prananta, B.I Soemarwoto (2005) 几何复杂飞机配置的气动弹性 CFD 研究。NLR-TP-2005-224。[12] J. van Muijden, B.B.Prananta, R.P.G.Veul (2008) 疲劳分析参数化程序中的高效气动弹性模拟。NLR-TP-2008-587。[13] H. Timmermans, B.B.Prananta (2016) 飞机设计过程中的气动弹性挑战。第六届飞机设计合作研讨会，波兰华沙。NLR-TP-2019-368。[15] L. Paletti, W.M.[14] L. Paletti、E. Amsterdam (2019) 增材制造对航空航天部件结构完整性方法的影响。van den Brink、R. Bruins、E. van de Ven、M. Bosman (2020) 航空航天增材制造设计：拓扑优化和虚拟制造。NLR-TP-2020-285。[16] J.C. de Kruijk (2018) 使用机器人技术实现复合材料自动化制造可降低成本、交货时间和废品率 - STO- MP-AVT-267-12。NLR-TP-2018-143。[17] W.M.van den Brink、R. Bruins、C.P.Groenendijk、R. Maas、P. Lantermans (2016) 复合热塑性水平稳定器扭力箱的纤维引导蒙皮设计。NLR-TP-2016-265。[18] P. Nijhuis (2020) 复合格栅加固板的环保生产方法。在 2020 年阿姆斯特丹 SAMPE 欧洲会议上发表。[19] M.H.Nagelsmit、C. Kassapoglou、Z. Gürdal (2010) 一种用于提高损伤容限的新型纤维放置架构。NLR-TP-2010-626。[20] A. Clarke、R.J.C.Creemers, A. Riccio, C. Williamson (2005) 全复合材料耐损伤翼盒的结构分析与优化。NLR-TP-2005-478。
未来的飞机结构设计
[1] EH Baalbergen、E. Moerlan、WF Lammen、PD Ciampa (2017) 支持未来飞机高效协同设计的方法。NLR-TP-2017-338。[2] AJ de Wit、WF Lammen、HS Timmermans、WJ Vankan、D. Charbonnier、T. van der Laan、PD Ciampa (2019) 飞机供应链的协同设计方法：多层次优化。NLR-TP-2019-202。[3] WF Lammen、P. Kupijai、D. Kickenweitz、T. Laudan (2014) 将发动机制造商的知识整合到初步飞机尺寸确定过程中。NLR-TP-2014-428。 [4] E. Amsterdam、JW Wiegman、M. Nawijn (2021) 铝合金疲劳裂纹扩展速率的幂律行为和转变。国际疲劳杂志，待提交。[5] FP Grooteman (2020) 使用光纤布拉格光栅传感器进行多载荷路径损伤检测。NLR-TP-2020-415。[6] FP Grooteman (2019) 概率故障安全结构风险分析。NLR-TP-2020-416。在 2019 年 ASIP（飞机结构完整性计划）会议上发表。[7] FP Grooteman、E. Lee、S. Jin、MJ Bos (2019) 极限载荷系数降低。在 2019 年飞机结构完整性计划 (ASIP) 会议上发表。 [8] E. Amsterdam，FP Grooteman (2016) 应力状态对疲劳裂纹扩展幂律方程指数的影响。NLR-TP-2016-064。 [9] E. Amsterdam (2021) 金属合金拉伸-拉伸疲劳中裂纹扩展速率的现象学模型。待提交。 [10] WJ Vankan、WM van den Brink、R. Maas (2017) 飞机复合材料机身结构模型的验证与相关性——初步结果。NLR-TP-2016-172。 [11] JW van der Burg、BB Prananta、BI Soemarwoto (2005) 几何复杂飞机配置的气动弹性 CFD 研究。NLR-TP-2005-224。 [12] J. van Muijden、BB Prananta、RPG Veul (2008) 疲劳分析参数化程序中的高效气动弹性模拟。NLR-TP-2008-587。[13] H. Timmermans、BB Prananta (2016) 飞机设计过程中的气动弹性挑战。第六届飞机设计合作研讨会，波兰华沙。[14] L. Paletti、E. Amsterdam (2019) 增材制造对航空航天部件结构完整性方法的影响。NLR-TP-2019-368。[15] L. Paletti、WM van den Brink、R. Bruins、E. van de Ven、M. Bosman (2020) 航空航天中的增材制造设计：拓扑优化和虚拟制造。NLR-TP-2020-285。 [16] JC de Kruijk (2018) 使用机器人技术实现复合材料的自动化制造，降低成本、缩短交货时间和提高废品率 - STO- MP-AVT-267-12。NLR-TP-2018-143。[17] WM van den Brink、R. Bruins、CP Groenendijk、R. Maas、P. Lantermans (2016) 复合材料热塑性水平稳定器扭力箱的纤维转向蒙皮设计。NLR-TP-2016-265。[18] P. Nijhuis (2020) 复合材料格栅加筋板的环保生产方法。在 2020 年阿姆斯特丹 SAMPE 欧洲展会上发表。[19] MH Nagelsmit、C. Kassapoglou、Z.Gürdal (2010) 一种提高损伤容限的新型纤维铺放结构。NLR-TP-2010-626。[20] A. Clarke、RJC Creemers、A. Riccio、C. Williamson (2005) 全复合材料损伤容限翼盒的结构分析与优化。NLR-TP-2005-478。