Rakenneoptimoinnin hyödyntäminen hävittäjälentokoneiden lentorangon modifikaatiosuunnittelussa: Optimointiratkaisujen ja kehityspotentiaalin selvitys moderneille hävittäjälentokoneille

Abstract

Tässä työssä tutkitaan modernien hävittäjälentokoneiden modifikaatiosuunnittelun rakenneoptimoinnin kehityspotentiaalia. Tarkastelun kohteena ovat kuormaa kantavat metalliset lentorangon rakenteet, joille suoritetaan lentopalveluksen aikaisia elinkaarisuunnitelmaan perustuvia huoltoja ja korjauksia. Tarkemmin työssä keskitytään modifikaatioiden tuotannolliseen ja tekniseen toteutukseen, numeeristen optimointimenetelmien mahdollisuuksiin, tulevaisuuden kehityssuuntiin sekä toimintaohjeisiin modifikaatiosuunnittelun kehittämiseksi. Työn keskeisin tavoite on menetelmäkehityksen kriittinen arviointi ja sen parantaminen ilmailualan toimijoita varten. Työ suoritettiin kirjallisuustutkimuksena perehtyen ensin aiheen teknisiin teorioihin, sitten toteutuksiin ja lopuksi mahdollisuuksiin sekä kehityssuuntiin.

Taustateoriaa käsitellään kattavasti työn tulosten ymmärtämiseksi. Hävittäjälentokoneiden runkorakenteiden suunnittelufilosofioista ja vauriomekanismeista edetään lentorangon kriittisten kohteiden elinikään vaikuttavaan murtumismekaniikkaan, väsymiseen sekä elastisuus-, plastisuus- ja stabiilisuusteoriaan. Numeerisen lujuusanalysoinnin osalta käsitellään elementtimenetelmää ja rakenneoptimointia. Mahdollisiksi rakennemodifikaatiomenetelmiksi esitellään sulauttaminen, pääteporaus, kylmävasarointi, laservasarointi, loveuttaminen ja vahvikkeiden lisääminen eri liitosmenetelmillä. Kun tarkasteltiin moderneille hävittäjälentokoneille toteutettujen modifikaatioiden optimointia, löydettiin kirjallisuudesta neljä tapaustutkimusta, joiden tuloksena optimoidun rakennekohdan maksimijännitystä saatiin laskettua 16 %, 27 %, 33 % ja 53 % alkuperäiseen optimoimattomaan rakenteeseen verrattuna.

Työn tulokset saatiin selville esitellyn teorian perusteella, kun verrattiin toteutettuja rakenneoptimointiratkaisuja lujuusanalysoinnin nykyteknologian mahdollisuuksiin. Hyödyntämätöntä potentiaalia on paljon johtuen ilmailualan yleisestä vaativuudesta ja hävittäjälentokoneiden korkeista suunnittelukriteereistä. Lujuusanalysoinnin tietokoneohjelmistojen päivittämättä jättäminen havaittiin olevan yksi merkittävä tekijä hyödyntämättömässä kehityspotentiaalissa. Ohjelmistojen numeerisen laskennan nopea kehittyminen on johtanut huippuluokkaisten menetelmien löytämiseen. Lentorangon vaatimuksiin sopivaksi menetelmäksi löydettiin viime vuosina kehitetty XIGA-menetelmä, joka yhdistää perinteisten lujuuslaskentamenetelmien tärkeimmät ominaisuudet. Algoritmitasolla GP-menetelmä todettiin myös numeerisen laskennan potentiaaliseksi kehityssuunnaksi. Optimointitehtävän määrittelydatan laadun ja validoinnin parantamiseksi esitettiin TSA-menetelmää, jossa väsytyskuormituksen aikaisten rakenteiden jännityksiä pystytään tarkastelemaan mikrobolometreillä eli jäähdyttämättömillä infrapunakameroilla.