Optimización Aeroestructural de un Ala Compuesta de Bajo Reynolds Usando Técnicas de Modelado Sustituto
Autores: Nikolaou, Eleftherios; Kilimtzidis, Spyridon; Kelverkloglou, Panagiota; Lappas, Vaios; Kostopoulos, Vassilis
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2026
Acceso abierto
Artículo científico
2026
Optimización Aeroestructural de un Ala Compuesta de Bajo Reynolds Usando Técnicas de Modelado Sustituto
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Optimización aeroestructural
Ala de UAV compuesta
Dinámica de Fluidos Computacional
Método de Elementos Finitos
Modelos de Kriging
Variables aerodinámicas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Este estudio presenta un marco de optimización aeroestructural para el diseño preliminar de un ala de UAV compuesta de bajo número de Reynolds, con el objetivo de mejorar simultáneamente la eficiencia aerodinámica y el rendimiento estructural. Mientras que trabajos anteriores han abordado principalmente la optimización aerodinámica de forma aislada, el enfoque presente integra análisis de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y del Método de Elementos Finitos (FEM) dentro de un marco de optimización basado en sustitutos (SBO). El espacio de diseño incluye tanto parámetros aerodinámicos -relación de aspecto, relación de reducción, ángulo de barrido y torsión- como variables estructurales relacionadas con la disposición interna del ala y los grosores de los componentes. Para reducir el costo computacional asociado con simulaciones de alta fidelidad, se emplean modelos de sustitución de Kriging junto con una estrategia de relleno de Mejora Esperada (EI), lo que permite una exploración eficiente del espacio de diseño acoplado. El marco se evalúa a través de múltiples ejecuciones de optimización independientes utilizando diferentes estrategias de muestreo inicial, demostrando una convergencia consistente hacia diseños viables de alto rendimiento. Los modelos de sustitución exhiben una fuerte capacidad predictiva, como lo confirman las métricas de Error Cuadrático Medio (RMSE) y validación cruzada de Dejar Uno Fuera (LOO). Los resultados indican que las variables aerodinámicas, particularmente la relación de aspecto y la torsión, son los principales impulsores del rendimiento de alcance. Sin embargo, las variables estructurales -notablemente el grosor de la piel- influyen fuertemente en la satisfacción de las restricciones, especialmente con respecto a los requisitos de pandeo y resistencia, y por lo tanto juegan un papel clave en la definición del espacio de diseño viable. La configuración óptima logra un alcance máximo de aproximadamente 203 km mientras satisface todas las restricciones de resistencia, rigidez y aerodinámicas. En general, la metodología propuesta proporciona una herramienta eficiente y robusta para el diseño aeroestructural en etapas tempranas de alas de UAV de bajo número de Reynolds.
Descripción
Este estudio presenta un marco de optimización aeroestructural para el diseño preliminar de un ala de UAV compuesta de bajo número de Reynolds, con el objetivo de mejorar simultáneamente la eficiencia aerodinámica y el rendimiento estructural. Mientras que trabajos anteriores han abordado principalmente la optimización aerodinámica de forma aislada, el enfoque presente integra análisis de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y del Método de Elementos Finitos (FEM) dentro de un marco de optimización basado en sustitutos (SBO). El espacio de diseño incluye tanto parámetros aerodinámicos -relación de aspecto, relación de reducción, ángulo de barrido y torsión- como variables estructurales relacionadas con la disposición interna del ala y los grosores de los componentes. Para reducir el costo computacional asociado con simulaciones de alta fidelidad, se emplean modelos de sustitución de Kriging junto con una estrategia de relleno de Mejora Esperada (EI), lo que permite una exploración eficiente del espacio de diseño acoplado. El marco se evalúa a través de múltiples ejecuciones de optimización independientes utilizando diferentes estrategias de muestreo inicial, demostrando una convergencia consistente hacia diseños viables de alto rendimiento. Los modelos de sustitución exhiben una fuerte capacidad predictiva, como lo confirman las métricas de Error Cuadrático Medio (RMSE) y validación cruzada de Dejar Uno Fuera (LOO). Los resultados indican que las variables aerodinámicas, particularmente la relación de aspecto y la torsión, son los principales impulsores del rendimiento de alcance. Sin embargo, las variables estructurales -notablemente el grosor de la piel- influyen fuertemente en la satisfacción de las restricciones, especialmente con respecto a los requisitos de pandeo y resistencia, y por lo tanto juegan un papel clave en la definición del espacio de diseño viable. La configuración óptima logra un alcance máximo de aproximadamente 203 km mientras satisface todas las restricciones de resistencia, rigidez y aerodinámicas. En general, la metodología propuesta proporciona una herramienta eficiente y robusta para el diseño aeroestructural en etapas tempranas de alas de UAV de bajo número de Reynolds.