DEVELOPMENT OF A FULLY AUTOMATED TRANSPORT AIRCRAFT FUSELAGE MODELLING AND SIZING TOOL USING PYTHON

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1 DLR.de Folie 1 DEVELOPMENT OF A FULLY AUTOMATED TRANSPORT AIRCRAFT FUSELAGE MODELLING AND SIZING TOOL USING PYTHON M. Petsch, D. Kohlgrüber, J. Walther Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR)

2 DLR.de Folie 2 Übersicht 1. Motivation 2. Beispiel Flugzeugentwurf am DLR 3. Austausch CPACS Datensatz 4. Toolumgebung Rumpfstruktur Auslegung am DLR-BT 5. Zusammenfassung 6. Ausblick

3 [1] [2] [3] [4] [5] DLR.de Folie 3 1. Warum Tools Entwickeln für den Flugzeugvorentwurf? Emissionen Aerodynamik Nutzlast [5] [1] [2] Struktur Flugleistung [3] [4]

4 DLR.de Folie 4 1. Warum Tools Entwickeln für den Flugzeugvorentwurf? Aufwand Entwicklungszeit neuer Luftfahrzeuge verkürzen. Effizienz/Emissionen Abschätzung z.b. Treibstoffverbrauch im Vorentwurf benötigt: hochgenaue, numerische Methoden komplexe, multidisziplinäre Interaktion Entwicklungsprozess Bisher: Schrittweiser Entwurfsablauf Zukünftig: individuelle, multidisziplinäre Tools Datenaustausch XML-Datensatz als Parameteraustausch = CPACS (Common Parametric Aircraft Configuration Scheme) CPACS

5 DLR.de Folie 5 2. Beispiel MDO (Multidisciplinary Design Optimization) im Flugzeugvorentwurf am DLR Randbedingungen, Anforderungen CPACS (Parameter Datensatz) erste Abschätzung Vorentwurf detaillierte Berechnung Strukturauslegung Lasten Abschätzung Aerodynamik Optimierter Entwurf CPACS (Parameter Datensatz)

6 DLR.de Folie 7 3. CPACS (Common Parametric Aircraft Configuration Scheme) XML-DATENSATZ Geometrie (Oberfläche) Rumpfprofil Struktur (Definitionen) Profile (z.b. Balkenprofil für Spant) Lasten Materialien Balkenprofil

7 DLR.de Folie 8 PRIMÄRES ENTWICKLUNGSZIEL (DLR-BT) Massenabschätzung Rumpfstruktur ENTWICKLUNGSSCHRITTE Schnittstellen zu CPACS aufbauen/vereinfachen Automatisierte/parametrisierte Finite Elemente (FE) Modell Generierung Schnittstelle zu FE-Lösern herstellen Dimensionierung der FE-Struktur anhand von Lastfällen Strukturmasse/Hautdicken auswerten

8 DLR.de Folie 9 WARUM NEUE TOOLUMGEBUNG? Tool TRAFUMO existiert bereits [1] ANSYS APDL basiert eingeschränkt, langsam Austausch (andere Formate) erschwert Umständlich Programmiert (durch APDL) FAZIT: NEUENTWICKLUNG PANDORA Python Programmierung Opensource (Numpy, OCC, VTK, lxml, ) Unabhängig von kommerzieller Software beliebige FE-Löser integrierbar GUI zur erleichterten Nutzung Modular weitere Einsatzmöglichkeiten In Entwicklung ca. seit 2016 Basis Strukturkomponenten TRAFUMO [1] [1] J.SCHERER, D. KOHLGRÜBER, F. DORBATH, M. SOROUR - A FINITE ELEMENT BASED TOOL CHAIN FOR STRUCTURAL SIZING OF TRANSPORT AIRCRAFT IN PRELIMINARY AIRCARFT DESIGN DLRK 2013, STUTTGART

9 DLR.de Folie 12 Pakete der Toolumgebung: Basispakete cpacs_data visualization_tools math_functions XML Daten verwalten (Nutzung von lxml Paket) Objektorientierter Aufbau XML-ASCII File geometry_core cpacs_geometry fe_pyprep Python usage

10 DLR.de Folie 13 Pakete der Toolumgebung: Basispakete cpacs_data 3D Visualisierung (Nutzung von VTK, PyQt) visualization_tools math_functions geometry_core cpacs_geometry fe_pyprep VISUALIZATION TOOLKIT

11 DLR.de Folie 14 Pakete der Toolumgebung: Basispakete cpacs_data visualization_tools math_functions Koordinaten Transformationen Interpolationen z.b. B-Spline Kurve/Oberfläche Knoten, B-Spline-Kurve und Punkte geometry_core cpacs_geometry fe_pyprep

12 DLR.de Folie 15 Pakete der Toolumgebung: Basispakete cpacs_data visualization_tools math_functions Basis Funktionalitäten zur Geometrie Nutzung OCC (Open Cascade) Hilfsfunktionen Meshbasierte Geometriealgorithmen geometry_core cpacs_geometry fe_pyprep Test: Extrudiertes Spantprofil mit Ausschnitte für Stringer in OCC Test: Netzbasierter Verschneidungsalgorithmus

13 DLR.de Folie 16 Pakete der Toolumgebung: Basispakete cpacs_data visualization_tools Geometriedaten aus CPACS extrahieren Profile, Schnitte, Segmente math_functions geometry_core cpacs_geometry fe_pyprep

14 DLR.de Folie 17 Pakete der Toolumgebung: Basispakete cpacs_data visualization_tools math_functions geometry_core cpacs_geometry fe_pyprep FE (Finite Elemente) Daten verwalten Balken, Schalen, erstellen Ausschnitte Orientierungen Validierung Visualisierungen

15 DLR.de Folie 19 Pakete der Toolumgebung: Spezifische Pakete cpacs_predesign Vollständige CPACS Daten aus Inputparametern Extrapolieren fe_converter fe_sizer cpacs_gfem

16 DLR.de Folie 20 Pakete der Toolumgebung: Spezifische Pakete cpacs_predesign FE-Daten schreiben/lesen (für spezifische Löser) fe_converter fe_sizer cpacs_gfem Python Abaqus, CodeAster, B2000++,... Ansys Nastran

17 DLR.de Folie 21 Pakete der Toolumgebung: Spezifische Pakete cpacs_predesign FE-Struktur Dimensionierungs Algorithmus Kriterien bisher: fe_converter Hautfeld-Beulen (Bruhn) Schalen fe_sizer max. Spannung (v. Mises) Schalen, Balken cpacs_gfem Sizing Algorithmus

18 DLR.de Folie 22 Pakete der Toolumgebung: Spezifische Pakete cpacs_predesign CPACS basierte FE-Modell Generierung fe_converter fe_sizer cpacs_gfem

19 DLR.de Folie 24 Pakete der Toolumgebung: Anwendung main GUI, Prozess-Steuerung

20 * In Entwicklung bei DLR-BT ca. seit 2016 DLR.de Folie Zusammenfassung PANDORA Toolumgebung* CPACS Einlesen Modellieren Schreiben Auswerten

21 DLR.de Folie Ausblick PRIMÄRES ENTWICKLUNGSZIEL Massenabschätzung Rumpfstruktur ENTWICKLUNGSSCHRITTE Schnittstellen zu CPACS vereinfachen Automatisierte FE Modell Generierung Schnittstelle zu FE-Lösern Dimensionierung der FE-Struktur ZUKÜNFTIGES ENTWICKLUNGSPOTENTIAL o Detaillierte Crash/Ditching Modelle o Weitere Dimensionierungs-Kriterien o Optimierung der Struktur o Ausbau der GUI

22 MICHAEL PETSCH DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT (DLR) INSTITUT FÜR BAUWEISEN UND STRUKTURTECHNOLOGIE (BT) PFAFFENWALDRING STUTTGART TEL.: Erstellt mit