Projektowanie i optymalizacja konstrukcji lotniczych

II stopnia

obowiązkowy

W 20/+ ; Ć 18/+ ; S 12/+; razem: 50 godz., 4 pkt ECTS

Brak przedmiotów wprowadzających

semestr 1. / lotnictwo i kosmonautyka / wszystkie specjalności

dr hab. inż. Stanisław KACHEL, dr inż. Robert ROGÓLSKI, prof. dr hab. inż. Jerzy GAWINECKI

Aktywność / obciążenie studenta w godz.:

1. Udział w wykładach / 20 h

2. Udział w laboratoriach / 0

3. Udział w ćwiczeniach / 18 h

4. Udział w seminariach / 12 h

5. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 24 h

6. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów / 0 h

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń / 20 h

8. Samodzielne przygotowanie do seminarium / 20

9. Realizacja projektu / 0

10. Udział w konsultacjach / 4 h

11. Przygotowanie do egzaminu / 0

12. Przygotowanie do zaliczenia / 6 h

13. Udział w egzaminie / 0

Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 124 godz. / 4 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+4+9+10+13): 54. godz. / 2 ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową/

Zajęcia o charakterze praktycznym 54 godz. / 2 ECTS

Podstawowe wiadomości z zakresu metod poszukiwania minimum funkcjo-nału. Metody matematyczne w procesach optymalizacji. Aproksymacja bezpośrednia i wielkości odwrotnej. Wybór funkcji celu i parametrów od-powiedzialnych za zmiany funkcji celu. Minimalizacja z ograniczeniami – metoda funkcji kary. Ocena jakości samolotów, modelowanie zadań i wa-runków zastosowań w zadaniach projektowych optymalnego projektowania statków powietrznych – spirala projektowania. Systemy i układy podlegają-ce procesowi optymalizacji: geometria, aerodynamika, zespół napędowy, misja, osiągi, struktura i własności masowe. Wybór optymalnego obciąże-nia statku powietrznego. Modelowanie procesów optymalizacji z wykorzy-staniem systemów CAD/CAM/CAE.

Wykład /metody dydaktyczne (20 h)

Metoda werbalno-wizualna – omówienie ustne z jednoczesnym zapisaniem na tablicy formuł i zależności oraz demonstracja układów konstrukcyjnych, schematów i wykresów na rysunkach tablicowych bądź prezentacja treści tekstowych i graficznych w trybie pokazu multimedialnego.

1. Wprowadzenie do projektowania optymalnego programowanie liniowe – powiązania systemowe, atrybuty definicyjne procesu optymalizacji, stadia projektowania konstrukcji. / 2

2. Metody optymalizacji metoda gradientowa – przegląd i charakterystyka procedur. / 2

3. Metody optymalizacji w projektowaniu konstrukcji lotniczych, metoda funkcji kary. / 2

4. Metody iteracyjne w zagadnieniach optymalizacji konstrukcji lotniczych. / 2

5. Narzędzie optymalizacji w projektowaniu konstrukcji lotniczych. / 2

6. Wstępny dobór parametrów masowych – estymacja masy startowej samolotu. / 2

7. Dobór parametrów geometrycznych płatowca – profile lotnicze, wymiarowanie skrzydeł, kadłuba i usterzenia. / 2

8. Dobór optymalnego obciążenia powierzchni nośnej i obciążenia ciągu. / 2

9. Określanie obciążeń płatowca – wpływ zmiany geometrii i współczynników aerodynamicznych. / 2

10. Kształtowanie struktury wytrzymałościowej – modelowanie dyskretne do analiz MES w środowisku CAD/CAE (wytrzymałość statyczna, optymalizacja wymiarowa, kształtowa i topologiczna). / 2

Ćwiczenia /metody dydaktyczne (18 h)

Rozwiązywanie zadań i problemów obliczeniowych samodzielnie (pisemnie lub z wykorzystaniem komputera) lub na tablicy z pomocą nauczyciela.

1. Zastosowanie programowania liniowego w poszukiwaniu rozwiązań optymalnych. / 2

2. Zastosowanie metod gradientowych w procesie modelowania konstrukcji lotniczych. / 2

3. Wykorzystanie metody funkcji kary do optymalizacji masowo-geometrycznej struktur lotniczych. / 2

4. Estymacja podstawowych wymiarów i masy samolotu – opracowanie charakterystyk trendowych w odniesieniu do bezwymiarowych parametrów geometrycznych, masowych i osiągowych, oszacowanie maksymalnej masy startowej. / 2

5. Wyznaczanie parametrów geometrycznych i masowych samolotu – rysunek geometrii płatowca, analiza wyważenia dla charakterystycznych konfiguracji. / 2

6. Dobór optymalnego obciążenia powierzchni nośnej i obciążenia ciągu. / 2

7. Optymalizacja geometrii skrzydła ze względu na kryterium minimalizacji oporu aerodynamicznego. / 2

8. Analiza obciążeń powierzchni nośnej płatowca – obliczenia aerodynamicznych współczynników profilowych, wyznaczenie rozkładów sił i momentów, bilans zrównoważenia dla stateczności samolotu. / 2

9. Dyskretyzacja konstrukcji skrzydła w preprocesorze do MES, obliczenia statyczne dla zastępczego układu sił (MSC Patran / Nastran Statics) / 2

Seminarium / metody dydaktyczne (12 h)

Audytoryjna prezentacja wyników samodzielnie opracowanych problemów w formie pokazu z omówieniem lub zapisu treści na tablicy i objaśnień.

1. Optymalne projektowanie skrzydła samolotu o minimalnej masie dla przyjętej misji. / 4

2. Zastosowanie metody graficznej w odniesieniu do optymalizacji wytrzymałościowej prostych elementów konstrukcyjnych (pręty, belki, wały). / 2

3. Wielowymiarowy model optymalizacji kosztowej belki dźwigarowej – zaprogramowanie procesu wg metody dyskretnego przeszukiwania (Matlab). / 2

4. Przykłady obliczeniowe optymalizacji belek cienkościennych z zastosowaniem kryterium stałego wytężenia – wpływ zmiany geometrii przekroju. / 2

5. Rozwinięcie dyskretnego modelu lotniczej konstrukcji prętowej do optymalizacji wytrzymałościowej – model kratowego łoża mocowania silnika (MSC Patran / Nastran Optimization). / 2

Podstawowa:

 Bochenek B., Krużelecki J., Optymalizacja stateczności konstrukcji, współczesne problemy, Politechnika Krakowska, 2007.

 Brusov W., Optymalne projektowanie wielozadaniowych statków latających, Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa 1996.

 Raymer D. P., Aircraft Design: A Conceptual Approach; AIAA Education Series (Fifth Edition –2012).

 Ostwald M.: Podstawy optymalizacji konstrukcji. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej – Poznań 2005.

 Singiresu S. Rao: Engineering Optimization – Theory and Practice. A Wiley-Interscience Publication, John Wiley and Sons, Inc. 1996.

 Roskam J.: Ariplane Design, Part I-VIII. Roskam Aviation and Engineering Corporation – Ottawa, Kansas 1985-1991.

 Stinton D.: The Design of the Aeroplane. BSP Professional Books, Oxford 1993.

Uzupełniająca:

 Björck Å., Dahlquist G., Metody numeryczne, Warszawa, PWN, 1987.

 Danilecki S., Projektowanie samolotów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2000.

 Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa PW – Optymalizacja Konstrukcji Lotniczych /materiały dydaktyczne/

http://www.meil.pw.edu.pl/pl/ZSiS/Dydaktyka/Prowadzone-przedmioty/OPTYM

 Berowski P.: Podstawy optymalizacji statycznej; Wydawnictwo Książkowe Instytutu Elektrotechniki, Warszawa 2008.

W1 / Ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę w zakresie wybranych działów matematyki, obejmującą elementy matematyki dyskretnej i stosowanej oraz metody optymalizacji; ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę w zakresie fizyki, obejmującą fizykę atmosfery, pod-stawy fizyki kwantowej i fizykę ciała stałego, w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia zjawisk fizycznych mających istotny wpływ na właściwości zaawansowanych materiałów stosowanych w technologiach lotniczych i kosmicznych / K2_W01, K2_W02

W2 / Ma pogłębioną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie budowy, optymalizacji i eksploatacji konstrukcji lotniczych, w tym wiedzę nie-zbędną do korzystania z systemów komputerowego wspomagania obliczeń oraz procesu projektowania i wytwarzania/ K2_W03

W3 / Rozumie metodykę projektowania złożonych układów, urządzeń oraz systemów statku powietrznego; zna języki opisu sprzętu i komputerowe narzędzia do projektowania i symulacji pracy układów i systemów / K2_W07

W4 / Ma podbudowaną teoretycznie szczegółową wiedzę w zakresie konstrukcji i procesów wytwarzania układów, urządzeń, instalacji i systemów statku powietrznego, a także wpływu parametrów tych procesów na parametry konstrukcyjne i użytkowe / K2_W08

W5 / Zna i rozumie zaawansowane metody modelowania, identyfikacji i optymalizacji stosowane w projektowaniu układów, urządzeń, instalacji i systemów statków powietrznych i kosmicznych / K2_W09

U1 / Potrafi wykorzystać poznane metody i modele matematyczne – w razie potrzeby odpowiednio je modyfikując - do analizy i projektowania elementów, układów i systemów statków powietrznych i kosmicznych / K2_U06

U2 / Potrafi ocenić i porównać zaawansowane rozwiązania projektowe oraz zaawansowane procesy wytwarzania układów, urządzeń, instalacji i systemów statków powietrznych ze względu na rodzaj misji i zadane kryteria użytkowe, ekonomiczne i bezpieczeństwa / K2_U07

U3 / Potrafi sformułować specyfikację projektową złożonego układu lub systemu statku po-wietrznego, z uwzględnieniem aspektów prawnych, w tym ochrony własności intelektualnej, oraz innych aspektów pozatechnicznych, takich jak oddziaływanie na środowisko (poziom hałasu, skażenia, wibracji itp.), korzystając m.in. z norm dotyczących ochrony środowiska / K2_U10

U4 / Potrafi projektować elementy, układy, urządzenia, instalacje i systemy statków powietrznych z uwzględnieniem zadanych kryteriów użytkowych i ekonomicznych, w razie potrzeby przystosowując istniejące lub opracowując nowe metody projektowania lub komputerowe narzędzia wspomagania projektowania (CAD) / K2_U11

U5/ Potrafi formułować oraz – wykorzystując odpowiednie narzędzia analityczne, symulacyjne i eksperymentalne - testować hipotezy związane z modelowaniem i projektowaniem elementów, układów i systemów statku powietrznego oraz projektowaniem procesu ich wytwarzania /K2_U13

U6 / Potrafi - przy formułowaniu i rozwiązywaniu zadań związanych z modelowaniem i projektowaniem elementów, układów i systemów statku powietrznego oraz projektowaniem procesu ich wytwarzania -integrować wiedzę z dziedziny mechaniki, informatyki, automatyki, telekomunikacji i innych dyscyplin, stosując podejście systemowe, z uwzględnieniem aspektów pozatechnicznych (w tym ekonomicznych i prawnych) / K2_U14

U7 / Potrafi - przy formułowaniu i rozwiązywaniu zadań związanych z modelowaniem i projektowaniem elementów, układów i systemów statku powietrznego oraz projektowaniem procesu ich wytwarzania -wykorzystać właściwe metody, techniki i narzędzia (w tym techniki komputerowe), przystosowując poznane techniki i narzędzia do danego zadania lub modyfikując bądź opracowując nowe narzędzia / K2_U15

U8 / Potrafi ocenić przydatność i możliwość wykorzystania nowych osiągnięć w zakresie materiałów elementów, metod projektowania i wytwarzania do projektowania i wytwarzania układów i systemów statku powietrznego, zawierających rozwiązania o charakterze innowacyjnym / K2_U18

U9 / Potrafi dokonać właściwego doboru i oceny przydatności specjalistycznego oprogramowania komputerowego oraz wykorzystać jego możliwości do rozwiązania zagadnienia technicznego w obszarze projektu wstępnego, projektu koncepcyjnego systemu pokładowego, projektu instalacji pokładowej, propozycji technologii wytwarzania lub remontu oraz systemu lub poszczególnych procedur obsługiwania / K2_U19

K1 / Rozumie potrzebę krytycznej oceny odbieranych treści uznawania znaczenia wiedzy w rozwiązywaniu problemów poznawczych i praktycznych / K2_K03

Przedmiot zaliczany jest na podstawie: zaliczenia z oceną.

Zaliczenie na ocenę jest przeprowadzane w formie pisemnego kolokwium sprawdzającego.

Warunkiem koniecznym do uzyskania zaliczenia jest uzyskanie pozytywnej oceny w ramach zaliczenia ćwiczeń audytoryjnych oraz seminarium, a następnie zaliczenie pisemnego sprawdzianu z wiedzy teoretycznej.

Zaliczenie ćwiczeń na ocenę odbywa się na podstawie oceny za indywidualne wykonanie zadań projektowych podawanych i objaśnianych przez prowadzącego na zajęciach.

Zaliczenie seminarium na ocenę odbywa się na podstawie ocen uzyskanych przez słuchacza za opracowanie pisemne i prezentację uzyskanych wyników na zajęciach.

Efekty W1 – W5 sprawdzane są na pisemnym kolokwium z wiedzy teoretycznej.

Efekty U1 – U9. sprawdzane są w toku prowadzonych ćwiczeń i seminariów.

Efekt K1 – sprawdzany jest w toku obserwacji grupy na zajęciach oraz na podstawie oceny kryteriów W1 – W5 oraz U1 – U9.

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student, który:

potrafi bezbłędnie i samodzielnie zapisać odpowiedzi na wszystkie zadawane pytania zaliczeniowe,

potrafi bezbłędnie i samodzielnie rozwiązać wszystkie zadania projektowe i opracować problemy seminaryjne w zakresie rozważanej tematyki projektowo-konstrukcyjnej.

Ocenę dobrą plus otrzymuje student, który:

potrafi samodzielnie zapisać odpowiedzi na zadawane pytania zaliczeniowe – wymaga się 90-95% poprawności treści,

potrafi i samodzielnie rozwiązać zadania projektowe i opracować problemy seminaryjne w zakresie rozważanej tematyki projektowo-konstrukcyjnej, dopuszczalne są drobne błędy.

Ocenę dobrą otrzymuje student, który:

potrafi samodzielnie zapisać odpowiedzi na zadawane pytania zaliczeniowe – wymaga się 82-89% poprawności treści,

potrafi samodzielnie rozwiązać większość zadań projektowych i większość problemów seminaryjnych w zakresie rozważanej tematyki projektowo-konstrukcyjnej, dopuszczalne są drobne błędy.

Ocenę dostateczną plus otrzymuje student, który:

potrafi samodzielnie zapisać odpowiedzi na zadawane pytania zaliczeniowe – wymaga się 75-81% poprawności treści,

potrafi i samodzielnie rozwiązać większość zadań projektowych i większość problemów seminaryjnych w zakresie rozważanej tematyki projektowo-konstrukcyjnej, dopuszczalne są błędy.

Ocenę dostateczną otrzymuje student, który:

potrafi samodzielnie zapisać odpowiedzi na zadawane pytania zaliczeniowe – wymaga się 66-74% poprawności treści,

potrafi rozwiązać najważniejsze zadania projektowe i najistotniejsze problemy seminaryjne w zakresie rozważanej tematyki projektowo-konstrukcyjnej – dopuszczalne są błędy.

Ocenę niedostateczną otrzymuje student, który:

zapisuje odpowiedzi na zadawane pytania zaliczeniowe na poziomie niższym niż 66% poprawności treści,

nie potrafi rozwiązać najważniejszych zadań projektowych i seminaryjnych w zakresie rozważanej tematyki projektowo-konstrukcyjnej.

Nie przewiduje się