Danske forskere har funnet en metode for å løse svært omfattende ligningsystemer, og dermed optimalisere store mekaniske strukturer.
Danske forskere har funnet en metode for å løse svært omfattende ligningsystemer, og dermed optimalisere store mekaniske strukturer. (Bilde: NIELS AAGE, DTU/Illustrasjon: Ingeniøren)

Beregne design av flyvinge og mekaniske strukturer

Gjennombrudd: Slik beregner de den perfekte flyvingen

– Vil uten tvil bane vei for nye mekaniske konstruksjoner.

  • luftfart

Et dansk gjennombrudd innen optimering av flyvinger kan føre til betydelige besparelser av drivstofforbruket til fly. Den samme teknikken kan også brukes til å optimere brostrekk og andre store mekaniske strukturer.

Konstruksjonen av en flyvinge krever millioner av ingeniørtimer hos ­Boeing, Airbus og andre flyfabrikker – uten at de dermed nødvendigvis kommer fram til den optimale designen.

Dette viser ny forskning innen feltet topologioptimering på DTU fra en gruppe ledet av professor Ole Sigmund, som gjennom mange år har jobbet med optimering av mekaniske systemer for å finne den formen – eller topologien – som fører til minst mulig materialforbruk i en konstruksjon som kan oppfylle de mekaniske kravene som stilles.

I en artikkel i denne ukes utgave av Nature har forskergruppen – med lektor Niels Aage som drivkraft – vist hvordan man nå kan optimere konstruksjoner som er oppdelt i milliarder av små volum-piksler, eller voksler.

Det er et markant framskritt, siden man fram til nå bare har hatt metoder for å optimere konstruksjoner som er oppdelt i maksimalt noen få millioner voksler.

Løser omfattende ligningssystemer

I et konkret beregningseksempel har DTU-forskerne delt opp vingen til en Boeing 777 i 1,1 milliarder voksler med en maksimal dimen­sjon på 8 mm.

– Vi har vist at med færre voksler kommer man ikke fram til en optimal konstruksjon, sier Niels Aage.

Det forskningsmessige gjennombruddet består i at Niels Aage og hans kolleger har funnet en metode som kan løse de svært omfattende ligningssystemene, og via en repeterende prosedyre finne den optimale konstruksjonen. Og, som forskerne forklarer i artikkel i Nature, er det slett ingen triviell oppgave å gå fra millioner av voksler til milliarder av voksler.

Med den nye DTU-designen får man en flyvinge som er omkring 5 prosent lettere enn dagens Boeing 777-vinge – og som vel å merke fremdeles kan klare de belastningene som vingen kan bli utsatt for i lufta. Det tilsvarer en reduksjon i drivstofforbruket på opptil 200 tonn i året per fly, viser DTU-forskernes beregning.

Artikkelen fortsetter under illustrasjonen. 

Foto: NIELS AAGE, DTU/Illustrasjon: Ingeniøren/Kjersti Magnussen

Matthijs Langelaar fra Delft University of Technology i Holland redegjør i en kommentar i Nature for at det gjenstår en del forskning før teknikken kan komme i konkret bruk. Men han skriver også at Niels Aage og co. har oppnådd en bemerkelsesverdig forbedring i forhold til tidligere brukte metoder.

– Den imponerende oppløsningen vil uten tvil bane vei for nye mekaniske konstruksjoner med lavere vekt og mindre miljømessig påvirkning enn de konstruksjonene som benyttes i dag, skriver Matthijs Langelaar.

Bedre 3D-utskrifter nødvendig

Det aller største problemet er kanskje at man fremdeles ikke har metoder for å fremstille den konstruksjonen som Niels Aage og kollegene hans har kommet fram til. Men Niels Aage vurderer det slik at utviklingen innen 3D-print – også kalt additive manufacturing – kan endre på dette innen få år.

Beregningen ble gjennomført på en fransk superdatamaskin hvor de danske forskerne hadde adgang til 8000 prosessorer. Selv med en slik datakraft har optimeringen tatt flere dager med beregningstid.

– Da vi startet med å utføre disse beregningene for to år siden, fantes det ingen dansk superdatamaskin som vi kunne benytte, men etter en søknad lyktes det oss å få gratis beregningstid på den franske superdatamaskinen, sier Niels Aage.

Beregningen har vist at det finnes et stort potensial for bruk av superdatamaskiner til produksjons­teknologi. Dette bruksområdet er i dag svært beskjedent i forhold til for eksempel astrofysikk og bioteknologi.

Slik formulerer nestformann Lee Margetts hos Industrial Advisory Committee for Prace – Partnership for Advanced Computing in Europe, dette i et brev til DTU-forskerne:

– Dette arbeidet vil utvilsomt oppmuntre andre ingeniører på universiteter og i industrien til å forandre mange industrisektorer.

Men Matthijs Langelaar påpeker at det er de færreste som har adgang til en superdatamaskin, og at det kan hindre utbredelsen av metoden. Han lurer i stedet på at det kan være mulig å finne metoder som kan redusere beregningstiden, siden de veldig små detaljene i konstruksjonen bare finnes i bestemte områder.

Brostrekk kan også optimeres

Men hvorfor valgte DTU-forskerne å optimere en flyvinge? Danmark er jo ikke akkurat kjent som en flyproduserende nasjon?

– Vi har lenge ønsket å gjøre det mulig å bruke topologioptimering på veldig store konstruksjoner. Interessen for fly deler jeg med Ole Sigmund, så det var et naturlig valg, sier Niels Aage, som samtidig fremhever at metoden også kan brukes til andre store konstruksjoner:

– Vi har blant annet kontakt ned Cowi om konstruksjon av brostrekk med topologi­optimering, sier Niels Aage.

Han mener at det vil være interessant å optimere enda større konstruksjoner, så som hele fly under ett. For poenget er nettopp at man ikke kan optimere de enkelte delene (vinge, skrog etc.) hver for seg, og deretter få en optimal total konstruksjon.

Han peker på at det også vil være interessant ikke bare å optimere mekaniske parametere som stivhet og styrke, men også trekke inn for eksempel aerodynamikk og elektromagnetisme.

– Flyprodusentene bekymrer seg mye over hvordan varmen fra lynnedslag kan ledes rundt, uten at det gir grunnlag for overoppheting og branner, sier Niels Aage.

Ved slike optimeringsoppgaver kan antallet parametere økes fra milliarder til tusener av milliarder.

– Og da holder det ikke med bare å bruke en enda større superdatamaskin. Det vil kreve helt nye metoder, sier han.

Han forteller at han svært gjerne ser at danske bedrifter kaster seg over topologioptimering, slik som Erik Andreassen – som er medforfatter til Nature-artikkelen – har gjort sammen med andre i bedriften Adimant. Men personlig er han mer tiltrukket av å finne metoder for å løse problemene som er enda vanskeligere.

Artikkelen ble først publisert på Ing.dk

Kommentarer (5)

Kommentarer (5)