Dansk forskning: Sådan beregnes den perfekte flyvinge

Design af en flyvinge kræver millionvis af ingeniørtimer hos ­Boeing, Airbus og andre flyfabrikker – uden at de på den måde nødvendigvis kommer frem til det optimale design.

Det viser ny forskning inden for feltet topologioptimering på DTU fra en gruppe ledet af professor Ole Sigmund, der gennem mange år har arbejdet med optimering af mekaniske systemer med henblik på at finde den form – eller topologi – der fører til det mindst mulige materialeforbrug for en konstruktion, der kan opfylde de stillede mekaniske krav.

I en artikel i denne uges udgave af Nature har forskergruppen – med lektor Niels Aage som den drivende kraft – vist, hvordan man nu kan optimere konstruktioner, der er opdelt i milliarder af små volumenelementer eller voxels.

Artiklen fortsætter efter grafikken

Det er et markant fremskridt, idet man hidtil kun har haft metoder til at optimere konstruktioner, der er opdelt i maksimalt nogle få millioner voxels.

I et konkret beregningseksempel har DTU-forskerne opdelt vingen til en Boeing 777 i 1,1 milliarder voxels med en maksimal dimen­sion på 8 mm.

»Vi har vist, at med færre voxels kommer man ikke frem til et optimalt design,« siger Niels Aage.

Det forskningsmæssige gennembrud består i, at Niels Aage og hans kolleger har fundet en metode, der kan løse de meget omfattende ligningssystemer og gennem en iterativ procedure finde den optimale konstruktion. Og som forskerne forklarer i deres artikel i Nature, er det langtfra en triviel opgave at gå fra millioner af voxels til milliarder af voxels.

Med det nye DTU-design får man en flyvinge, der er omkring 5 pct. lettere end dagens Boeing 777-vinge – og som vel at mærke stadig kan klare de belastninger, vingen kan blive udsat for i luften. Det svarer til en reduktion i brændstofforbruget på op til 200 ton om året pr. fly, viser DTU-forskernes beregning.

Matthijs Langelaar fra Delft University of Technology i Holland redegør i en kommentar i Nature for, at der udestår en del forskning, før teknikken kan finde konkret anvendelse, men han noterer, at Niels Aage og co. har opnået en bemærkelsesværdig forbedring i forhold til tidligere anvendte metoder.

»Den imponerende opløsning vil uden tvivl bane vej for nye mekaniske konstruktioner med lavere vægt og mindre miljømæssig påvirkning end de konstruktioner, der benyttes i dag,« skriver Matthijs Langelaar.

Bedre 3D-print nødvendigt

Det allerstørste problem er måske, at man endnu ikke har metoder til at fremstille den konstruktion, som Niels Aage og kolleger er kommet frem til. Niels Aage vurderer dog, at udviklingen inden for 3D-print – også kaldet additive manufacturing – kan ændre på dette inden for få år.

Beregningen er gennemført på en fransk supercomputer, hvor de danske forskere havde adgang til 8.000 processorer. Selv med en sådan computerkraft har optimeringen taget flere dages beregningstid.

»Da vi begyndte at udføre disse beregninger for to år siden, var der ikke nogen dansk supercomputer, vi kunne benytte, men det lykkedes os efter en ansøgning at få gratis beregningstid på den franske supercomputer,« siger Niels Aage.

Beregningen har vist, at der findes et stort potentiale for brug af supercomputere til produktions­teknologi, hvor anvendelsen i dag er meget beskeden i forhold til eksempelvis astrofysik og bioteknologi.

Som Lee Margetts, næstformand for Industrial Advisory Committee for Prace – Partnership for Advanced Computing in Europe, udtrykker det i et brev til DTU-forskerne:

»Dette arbejde vil uden tvivl opmuntre andre ingeniører på universiteter og i industrien til at at transformere mange industrisektorer.«

Matthijs Langelaar peger omvendt på, at det er de færreste, der har adgang til en supercomputer, og at det kan hindre metodens udbredelse. Han spekulerer i stedet i, at det kan være muligt at finde metoder, der kan reducere beregningstiden, da de meget fine detaljer i konstruktionen kun findes i bestemte områder.

Brofag kan også optimeres

Men hvorfor valgte DTU-forskerne at optimere en flyvinge – Danmark er jo ikke ligefrem kendt som en flyproducerende nation?

»Vi har længe ønsket at gøre det muligt at bruge topologioptimering på meget store konstruktioner. Interessen for fly deler jeg med Ole Sigmund, så det var et naturligt valg,« siger Niels Aage, som samtidig fremhæver, at metoden også kan bruges til andre store konstruktioner:

»Vi har f.eks. kontakt til Cowi om konstruktion af brofag med topologi­optimering,« siger Niels Aage.

Han mener, det vil være interessant at optimere endnu større konstruktioner som hele flyet under ét. For pointen er netop, at man ikke kan optimere de enkelte dele (vinge, skrog etc.) hver for sig og så få en optimal samlet konstruktion.

Han peger på, at det også vil være interessant ikke kun at optimere mekaniske parametre som stivhed og styrke, men også inddrage f.eks. aerodynamik og elektromagnetisme.

»Flyproducenterne bekymrer sig meget for, hvordan varmen ved lynnedslag ledes rundt, uden at det giver anledning til overophedning og brande,« siger Niels Aage.

Ved sådanne optimeringsopgaver kan antallet af parametre øges fra milliarder til tusinde milliarder.

»Og så nytter det ikke blot at bruge en endnu større supercomputer. Det vil kræve helt nye metoder,« siger Niels Aage.

Han fortæller, at han meget gerne ser, at danske virksomheder kaster sig over topologioptimering, som Erik Andreassen, der er medforfatter til Nature-artiklen, har gjort sammen med andre i virksomheden Adimant. Personligt er han dog mere tiltrukket at finde metoder til at løse de endnu sværere problemer.