روشهای عددی در مهندسی

روشهای عددی در مهندسی

توسعه چارچوب یکپارچه برای طراحی پیکربندی کپسول فضایی کامپوزیتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
پژوهشگاه هوافضای وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران
چکیده
در این مطالعه، بهینه‌سازی طراحی چندموضوعی یک کپسول فضایی با تمرکز بر جنس سازه و ویژگی‌های هندسی مورد بررسی قرار گرفت. موضوعات طراحی شامل هندسه، آیرودینامیک، مسیر، گرمایش و سازه در نظر گرفته شدند. برای کاهش هزینه محاسباتی، مدل‌های جایگزین با استفاده از روش سطح پاسخ کریگینگ ایجاد شده و بهینه‌سازی چندموضوعی با چارچوب تک‏سطحی همه در یک مرحله (AAO) و الگوریتم ژنتیک انجام شد. مسائل تک‌هدفه شامل کمینه‌سازی جرم، بیشینه‌سازی راندمان حجمی، کمینه‌سازی ضریب بالستیک، بیشینه‌سازی پایداری استاتیکی طولی، کمینه‌سازی تغییرشکل سازه‌ای، بیشینه‌سازی حجم داخلی، بیشینه‌سازی فرکانس سازه و بیشینه‌سازی مقاومت کمانشی سازه بودند و همچنین در تکمیل آن یک مسئله دوهدفه برای بهینه‌سازی همزمان دو هدف اصلی یعنی جرم و صلابت سازه تعریف شد. این نتایج با تست پروازی کپسول بومی صحه‏گذاری شدند. نتایج نشان داد که استفاده از کامپوزیت کربن-اپوکسی به عنوان جنس پوسته، در تمام بهینه‌سازی‌ها بر سایر مواد (آلومینیوم 6061 و کامپوزیت شیشه-اپوکسی) ارجح است. علاوه بر این، افزایش ضخامت لایه‌ها تا 5% موجب بهبود صلابت سازه شد، و کاهش وزن تا 8% بدون افت عملکرد مکانیکی امکان‌پذیر شد. این نتایج نشان می‌دهد که با انتخاب درست هندسه و تنظیم مناسب ضخامت لایه‌ها می‌توان به طراحی کارآمدتری برای کامپوزیت‌های سبک و مقاوم دست یافت. چارچوب پیشنهادی می‌تواند به‌عنوان یک راهنمای عملی در طراحی کپسول‌های فضایی آینده به کار رود و با کاهش وزن سازه، افزایش پایداری و بهبود عملکرد کلی آن‌ها همراه باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Development of an integrated framework for configuration design of composite space capsule

نویسندگان English

Hassan Naseh
Hadiseh Karimaei
Mohammad Lesani Fadafan
Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, multi-disciplinary design optimization of a space capsule was investigated, focusing on structural material and geometric features. Design disciplines, including geometry, aerodynamics, trajectory, heating, and structure, were considered. To reduce the computational cost, surrogate models were created using the Kriging method, and multi-disciplinary optimization was performed with the single-level All-At-Once framework and genetic algorithm. The single-objective problems included mass minimization, volumetric efficiency maximization, ballistic coefficient minimization, longitudinal static stability maximization, structural deformation minimization, internal volume maximization, structural frequency maximization, and structural buckling strength maximization. In addition, a dual-objective problem was defined to simultaneously optimize the two main objectives, namely mass and structural rigidity. These results were validated by flight testing of the native capsule. The results showed that using carbon-epoxy composite as the shell material is preferable to other materials (6061 aluminum and glass-epoxy composite) in all structural optimizations. Furthermore, increasing the thickness of the layers by 5% improved the structural rigidity, and weight reduction of up to 8% was possible without loss of mechanical performance. These results show that by choosing the correct geometry and adjusting the thickness of the layers, a more efficient design for lightweight and strong composites can be achieved. The proposed framework can be used as a practical guide in the design of future space capsules, reducing structural weight, increasing stability, and improving their overall performance.

کلیدواژه‌ها English

کپسول فضایی
بهینه‌سازی چندموضوعی
مدل جایگزین
کامپوزیت کربن-اپوکسی
شیشه-اپوکسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 24 آبان 1405

تحت نظارت وف بومی