Otimização dos parâmetros da mola usando o algoritmo Bees para o mecanismo de asa dobrável

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21913 (2022) Citar este artigo

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Neste estudo, o projeto das molas de torção e compressão do mecanismo de asa dobrável utilizado no míssil é considerado um problema de otimização. Depois que o míssil sai do tubo, as asas que aguardam fechadas devem ser abertas e fixadas dentro de um tempo específico. O estudo visa maximizar a energia armazenada pelas molas para que a asa possa ser aberta em um tempo mínimo. Neste contexto, a equação de energia em ambas as publicações é definida como a função objetivo no processo de otimização. O diâmetro do fio, o diâmetro do enrolamento, o número de enrolamentos e os parâmetros de deflexão necessários para o projeto da mola foram determinados como variáveis ​​de otimização. Existem restrições geométricas para as variáveis ​​devido às dimensões do mecanismo e também existem restrições de fator de segurança devido às cargas a que as molas estão expostas. O Algoritmo Bees (BA) foi utilizado para resolver este problema de otimização e realizar o projeto da mola. Os valores de energia obtidos com BA foram melhores que os valores obtidos com o estudo anterior de Design of Experiment (DOE). As molas e mecanismo projetados com os parâmetros obtidos na otimização foram primeiramente analisados ​​no programa ADAMS. Posteriormente, foram realizados testes experimentais integrando as molas produzidas ao próprio mecanismo. Como resultado dos testes, observou-se que a asa abriu em aproximadamente 90 ms. Este valor está bem abaixo da meta do projeto de 200 ms. Além disso, há apenas uma diferença de 16 ms entre a análise e os resultados experimentais.

Em aeronaves e veículos marítimos, os mecanismos dobráveis ​​têm tarefas críticas. Esses sistemas são usados ​​na transformação de aeronaves e em trabalhos de conversão para melhorar o desempenho e o controle do voo. Dependendo do modo de voo, as asas são dobradas e reabertas de diferentes maneiras para reduzir os efeitos aerodinâmicos1. Esta situação pode ser comparada aos movimentos das asas de algumas aves e insetos durante vôos e mergulhos rotineiros2. Da mesma forma, os planadores dobram-se e desdobram-se em veículos subaquáticos para reduzir os efeitos hidrodinâmicos e maximizar o desempenho de condução3. Outra tarefa dos mecanismos é proporcionar vantagens de volume aos sistemas, como dobrar as hélices dos helicópteros durante o armazenamento e transporte4. As asas dos mísseis também são dobradas para reduzir o espaço de armazenamento. Dessa forma, mais mísseis podem ser colocados em uma área menor do sistema lançador5. Os componentes utilizados de forma eficaz na dobragem e desdobramento são geralmente molas. No momento do dobramento, eles armazenam energia, liberada no momento do desdobramento. Graças à sua estrutura flexível, a energia armazenada e libertada torna-se igual. As molas são projetadas principalmente para o sistema, e esse projeto é um problema de otimização6. Porque, embora inclua diferentes variáveis ​​como diâmetro do fio, diâmetro de enrolamento, número de enrolamento, ângulo de hélice e tipo de material, também existem critérios como minimizar massa, volume, distribuição de tensões ou ter energia máxima7.

Este estudo revela o projeto e a otimização das molas do mecanismo de asa dobrável usado em um sistema de mísseis. Enquanto estão dentro do tubo de lançamento antes do vôo, as asas permanecem dobradas sobre a superfície do míssil e, após sair do tubo, abrem em um tempo específico e permanecem travadas na superfície. Este processo é fundamental para o funcionamento correto do míssil. No mecanismo de dobramento projetado no estudo, a abertura da asa é realizada pela mola de torção, enquanto a operação de travamento é realizada pela mola de compressão. Para projetar molas adequadas é necessário realizar um processo de otimização. Existem diferentes aplicações na literatura no âmbito da otimização de molas.

Paredes et al.8 determinaram maximizar o fator máximo de vida em fadiga como função objetivo para o projeto de mola helicoidal e utilizaram a abordagem quase-Newton como método de otimização. As variáveis ​​​​na otimização foram determinadas como diâmetro do fio, diâmetro do enrolamento, número de voltas e comprimento da mola. Outro parâmetro no projeto de molas é o material utilizado em sua produção. Portanto, é considerado em estudos de design e otimização. Zebdi et al.9 estabeleceram como meta rigidez máxima e peso mínimo na função objetivo em um estudo onde o fator peso é essencial. Eles determinaram o material da mola e as propriedades geométricas como variáveis ​​neste contexto. Eles usaram o algoritmo genético como método de otimização. No setor automotivo, os pesos dos materiais são eficazes em muitas áreas, desde o desempenho do veículo até o consumo de combustível. Minimizar o peso na otimização das molas helicoidais usadas para suspensão é um estudo famoso10. Bakhshesh e Bakhshesh11 determinaram materiais como E-glass, Carbon e Kevlar como variáveis ​​em seu trabalho no ambiente ANSYS e objetivaram peso mínimo e capacidade máxima de tensão entre diferentes designs compósitos para as molas de suspensão. Os processos de produção são essenciais no projeto de molas compostas. Portanto, no problema de otimização entram em jogo diferentes variáveis, como métodos de produção, etapas executadas durante o processo e a sequência dessas etapas12,13. A frequência natural do sistema deve ser considerada em molas projetadas para sistemas dinâmicos. Recomenda-se que a primeira frequência natural da mola seja pelo menos 5 a 10 vezes maior que a frequência natural do sistema para evitar ressonância14. Taktak et al.7 optaram por minimizar a massa da mola e maximizar a primeira frequência natural como função objetivo no projeto da mola helicoidal. Eles usaram métodos Patternsearch, Interior Point, Active Set e Genetic Algoritmo na ferramenta de otimização Matlab. Uma das partes dos estudos de projeto de molas é o estudo de análise, e o método dos elementos finitos é predominante neste campo15. Patil et al.16 desenvolveram uma técnica de otimização para reduzir o peso da mola de compressão helicoidal utilizando o processo analítico e verificaram as equações analíticas com o método dos elementos finitos. Outro critério que aumentará a utilidade da mola é aumentar a energia que ela pode armazenar. Esta situação também garante que a mola mantém a sua utilidade durante longos períodos. Rahul e Rameshkumar17 tiveram como objetivo reduzir o volume da mola e aumentar a energia de deformação no projeto de mola helicoidal usada na indústria automotiva. Eles também usaram algoritmos genéticos em seus estudos de otimização.