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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2005.tde-08032006-085133
Document
Author
Full name
Klaus Widmaier
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2005
Supervisor
Committee
Catalano, Fernando Martini (President)
Marques, Flavio Donizeti
Tita, Volnei
Title in Portuguese
Algoritmo genético aplicado à otimização de asas de material compósito de veículos aéreos não tripulados
Keywords in Portuguese
algoritmo genético
material compósito
otimização
VANT
veículo aéreo não tripulado
Abstract in Portuguese
O advento dos veículos aéreos não tripulados (VANTs) representa uma quebra de paradigma no ramo aeronáutico. São revisados os conceitos de projeto envolvidos no desenvolvimento de VANTs e levantadas as suas potenciais aplicações. São também analisadas as características de sua operação e discutidas as questões regulatórias envolvidas na certificação e integração dos VANTs ao tráfego aéreo civil. Dentre as várias características singulares dos VANTs, enfatiza-se a sua necessidade de realizar vôos a grande altitude e com longa autonomia. Isso leva ao emprego de materiais mais leves e configurações com asas de grande alongamento, que provocam menor arrasto induzido. É feita uma revisão sobre materiais compósitos, que são materiais de uso crescente no ramo aeronáutico por sua leveza e resistência, e que por sua característica de anisotropia, são suscetíveis à otimização estrutural. Métodos e ferramentas de otimização estrutural de compósitos laminados ainda são pouco empregados, por suas características discretas e pelo grande número de parâmetros envolvidos. Um método eficiente e adequado à otimização de um problema desse tipo é o método dos algoritmos genéticos (AG). Assim foi desenvolvida uma sub-rotina de otimização baseada em algoritmos genéticos, usando a linguagem de programação Fortran. A sub-rotina desenvolvida trabalha em conjunto com um programa comercial de análise estrutural baseado no método dos elementos finitos, o Ansys. Foi também proposta uma configuração de asa de um VANT típico, de grande alongamento e fabricada com materiais compósitos reforçados com fibras (CRF). A asa proposta teve o número e a orientação das camadas do laminado otimizadas com o uso da sub-rotina desenvolvida, e resultados satisfatórios foram encontrados. Foram também analisados os efeitos da variação dos parâmetros dos operadores do AG, como probabilidades de mutação, cruzamento, tipo de escalonamento, entre outros, no desempenho do mesmo. Também foram feitas otimizações no mesmo modelo de asa proposto, empregando outros métodos disponíveis no próprio programa de análise estrutural. Os resultados das otimizações através desses métodos foram comparados com os resultados obtidos com a sub-rotina desenvolvida
Title in English
Genetic algorithm applied to optimization of composite material wings of unmanned air vehicles
Keywords in English
composite material
genetic algorithm
optimization
UAV
unmanned air vehicle
Abstract in English
The advent of the unmanned air vehicles (UAVs) represents a paradigm break in the aeronautical field. The project concepts involved in the development of UAVs are revised and its potential applications are rose. Also the issues related to UAVs operation are assessed and the regulatory questions involved in their certification and integration to the civil air space are argued. Amongst many singular characteristics of the UAV, its necessity of performing flights at high altitudes and with long endurance is emphasized. This leads to the employment of lighter materials and to configurations with high aspect ratio wings that cause minor induced drag. A revision on composite materials, which are of increasing use in the aeronautical field for their lightness and strength, and that are appropriate for being optimized due to their anisotropy characteristics, is made. Methods and tools of structural optimization of laminated composites are still seldom employed, due to their discrete nature and to the large number of parameters involved. An efficient and suitable method for the optimization of this kind of problem is the genetic algorithm (GA). Thus, an optimization sub-routine based on genetic algorithms was developed, using FORTRAN programming language. The developed sub-routine works in combination with Ansys, a structural analysis commercial program based on the finite elements method. A configuration of a typical UAV wing, made from composite reinforced plastics (CRP) was also proposed. The proposed wing had the number of plies and the orientations of its layers optimized using the developed sub-routine, and satisfactory results had been found. Also the effect of the variation of AG’s operator parameters in its performance, as mutation probabilities, crossover probabilities, fitness scaling, among others, have been assessed. The same wing model considered was also optimized using other build-in methods of the structural analysis program. The results of these optimizations have been compared with the results obtained with the developed sub-routine
 
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Publishing Date
2006-09-20
 
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