Automatisierung des Flugzeugdesigns mit PanAir

Die Flugzeugdesign ist ein komplexer Prozess, der oft das Wiederholen von Aufgaben beinhaltet, um zu schätzen, wie das Flugzeug in der Luft performt. Dazu gehört das Verstehen von Faktoren wie Widerstand (der das Flugzeug abbremst) und Auftrieb (der hilft, dass es aufsteigt). Um dabei zu helfen, wurde ein Tool namens PanAir entwickelt. PanAir nutzt eine Methode, die auf dem Luftstrom um das Flugzeug basiert, um vorherzusagen, wie es sich sowohl bei Unterschall- (langsamer als der Schall) als auch bei Überschallbedingungen (schneller als der Schall) verhalten wird.

Die Herausforderung bei der Nutzung von PanAir ist, dass es Informationen in einem bestimmten Format benötigt, und viele gängige Design-Tools bieten keine Daten mehr in diesem Format an. Das bedeutet, dass Designer viel Zeit damit verbringen, die Daten manuell vorzubereiten und dann herauszufinden, wie sie die Ergebnisse nach der Analyse visualisieren können. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Prozesse zu automatisieren, damit Ingenieure effizienter arbeiten können.

#Der Bedarf an Automatisierung im Flugzeugdesign

Der Luft- und Raumfahrtbereich bewegt sich derzeit in Richtung einer integrierten Art und Weise des Flugzeugdesigns. Dieser neue Ansatz kombiniert verschiedene Tools, was die Analyse der aerodynamischen Performance eines Designs erleichtert. Eine benutzerfreundliche Oberfläche ermöglicht es Ingenieuren, schnell Simulationen durchzuführen und die Ergebnisse zu sehen, was entscheidend für informierte Entscheidungen im Designprozess ist. Leider erfordert der bestehende Ansatz mit PanAir zu viel manuellen Aufwand.

#Überblick über PanAir

PanAir ist ein Software-Tool, das wichtige aerodynamische Eigenschaften von Flugzeugen berechnet. Es löst Gleichungen, die beschreiben, wie Luft um ein Flugzeug strömt. Dazu gehört die Vorhersage des Auftriebs, der für den Flug entscheidend ist, und des Widerstands, der für eine effiziente Performance minimiert werden muss. PanAir kann auch verschiedene Flugzeugkonfigurationen analysieren und hilft Ingenieuren, zu sehen, wie Änderungen die Performance beeinflussen könnten.

Obwohl PanAir ein unschätzbares Tool in der Branche ist, hat es Einschränkungen. Erstens hat es spezifische Anforderungen dafür, wie geometrische Daten formatiert sein müssen. Zweitens können die Ausgabedaten von PanAir nach Abschluss der Analyse nicht einfach visualisiert werden, da sie nicht in einem gängigen Format vorliegen.

#Aktuelle Herausforderungen bei der Nutzung von PanAir

Bei der Nutzung von PanAir kann der Prozess in zwei Hauptschritte unterteilt werden: Vorverarbeitung und Nachverarbeitung. Die Vorverarbeitung beinhaltet das Vorbereiten der geometrischen Daten und das Festlegen von Strömungsbedingungen, während die Nachverarbeitung das Interpretieren der Ergebnisse umfasst.

1. Vorverarbeitung:

   • Um die geometrischen Daten vorzubereiten, verwenden Designer oft ein eingebautes Tool namens MakeWGS, das die Oberfläche des Flugzeugs in Panels unterteilt. Dieses Tool kann jedoch komplexe Formen nicht gut handhaben, sodass Ingenieure auf andere Software angewiesen sind. Das kann zu Fehlern führen, wenn die Verbindungen zwischen den verschiedenen Panels nicht richtig gemacht werden.
   • Nachdem die Geometrie im richtigen Format vorliegt, müssen Designer eine detaillierte Datei erstellen, die PanAir sagt, wie das Flugzeug analysiert werden soll.

2. Nachverarbeitung:

   • Sobald PanAir mit seiner Analyse fertig ist, sind die erzeugten Ausgabedateien nicht einfach interpretierbar. Designer müssen diese Dateien erneut manuell bearbeiten, um die Ergebnisse mit verschiedenen Softwaretools zu visualisieren. Dieser Prozess kann mühsam und zeitaufwendig sein.

Wegen dieser vielen Schritte kann die Nutzung von PanAir lange dauern. Es kann von Tagen bis Wochen dauern, um von einem ersten Design zu umsetzbaren Ergebnissen zu gelangen.

#Die vorgeschlagene automatisierte Umgebung

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wird ein neues automatisiertes System vorgeschlagen. Diese neue Umgebung optimiert den Prozess der Vorbereitung und Analyse von Daten mit PanAir und reduziert erheblich die Zeit, die Ingenieure mit manuellen Aufgaben verbringen.

#So funktioniert die neue Umgebung

1. Eingabe der Simulationsdaten:

   • Das vorgeschlagene System akzeptiert Geometriedaten, die aus Software wie OpenVSP generiert werden, was den Umgang mit komplexen Geometrien erleichtert. Die Geometrie wird automatisch in ein Format organisiert, das PanAir lesen kann.

2. Automatische Datenbearbeitung:

   • Die Umgebung sortiert die Geometriedaten automatisch und stellt sicher, dass alles richtig verbunden ist – das ist wichtig, denn wenn die Panels nicht verbunden sind, kann der Luftstrom über das Flugzeug falsch berechnet werden.

3. Analyse durchführen:

   • Sobald alles eingerichtet ist, kann die Umgebung PanAir automatisch aufrufen, um die Analyse mit den vorbereiteten Daten durchzuführen. Das bedeutet, dass keine manuelle Eingabe erforderlich ist, und Ergebnisse können in Minuten statt in Wochen gesammelt werden.

4. Visualisierung:

   • Nach der Analyse können die Ergebnisse automatisch in ein Format umgewandelt werden, das für Visualisierungssoftware wie Tecplot geeignet ist. Das bedeutet, dass Ingenieure leicht sehen können, wie das Flugzeug performt, ohne sich mit zusätzlichen Schritten herumschlagen zu müssen.

#Vorteile des vorgeschlagenen Systems

Die Vorteile der neuen automatisierten Umgebung sind erheblich:

• Zeitersparnis: Durch die Automatisierung der Datenbearbeitung und Konvertierungsprozesse wird die Zeit, die für die Durchführung einer Analyse benötigt wird, drastisch reduziert. Aufgaben, die zuvor Tage oder Wochen in Anspruch nahmen, dauern jetzt nur Minuten.
• Verbesserte Genauigkeit: Automatisierte Verbindungen und Datenbearbeitung verringern das Risiko menschlicher Fehler, wodurch die Analyse zuverlässiger wird.
• Benutzerfreundlich: Ingenieure können sich mehr auf Design und Innovation konzentrieren, anstatt sich mit den Komplexitäten der Datenvorbereitung herumzuschlagen.
• Nahtlose Integration: Die Umgebung fügt sich reibungslos in bestehende Designtools ein, was es für Ingenieure einfacher macht, sie zu übernehmen.

#Testen und Validieren

Um zu beweisen, dass diese neue Umgebung effektiv funktioniert, wurde ein bekanntes Flugzeugmodell zum Testen ausgewählt. Die Cessna 210, die ein modifiziertes Profil nutzt, das einen natürlichen Luftstrom fördert, wurde analysiert. Das automatisierte System wurde eingesetzt, um die Leistung des Flugzeugs unter bestimmten Flugbedingungen zu überprüfen.

#Schritte zum Testen

• Geometrieeingabe: Das Design wurde mit OpenVSP erstellt, das die notwendige Mesh-Datei lieferte.
• Analyse durchführen: Das Mesh wurde in die Umgebung importiert, und innerhalb von Minuten erschienen die Analyseergebnisse.
• Vergleich der Ergebnisse mit Windkanal-Daten: Die Ergebnisse der automatisierten Umgebung wurden dann mit realen Windkanal-Tests verglichen, um zu sehen, wie genau sie waren.

#Ergebnisse

Die Analyse zeigte eine hervorragende Übereinstimmung mit den Windkanal-Ergebnissen, besonders bei niedrigen Anstellwinkeln. Obwohl es bei höheren Anstellwinkeln einige Abweichungen aufgrund der Einschränkungen von PanAir hinsichtlich nicht-linearer Strömungen gab, bestätigten die Gesamtergebnisse die Wirksamkeit der automatisierten Umgebung.

#Fazit

Die vorgeschlagene automatisierte Umgebung stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, um die Nutzung von PanAir für Flugzeuganalysen zu vereinfachen. Durch die Optimierung der Datenvorbereitung, der Durchführung der Analyse und der Visualisierung der Ergebnisse können Ingenieure viel effizienter arbeiten. Das System spart nicht nur Zeit, sondern verbessert auch die Genauigkeit, was dem Flugzeugdesignprozess insgesamt zugutekommt.

Mit der stetigen Weiterentwicklung des Luft- und Raumfahrtbereichs ist die Integration solcher automatisierten Tools entscheidend, um die Herausforderungen des modernen Designs zu bewältigen. Diese Arbeit ebnet den Weg für zukünftige Verbesserungen und Anpassungen in der Analyse der Flugzeugleistung und trägt zu Fortschritten in Aerodynamik und Designmethodik bei.

Die hier beschriebenen Entwicklungen zeigen vielversprechendes Potenzial, um ein schnelleres und zuverlässigeres Flugzeugdesign zu erleichtern, was letztendlich zu besser performenden Flugzeugen in den Lüften führt.