Flugzeugkonstruktion KI-Simulationsmodell für die transsonische Aerodynamik

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Luminary Cloud präsentiert SHIFT-Wing, ein KI-Simulationsmodell für den Entwurf von transsonischen Tragflächen. Dabei arbeitet der Simulationsspezialist mit Otto Aviation zusammen und nutzt Technologien von Nvidia.

Luminary Cloud, eine KI-Plattform für die Multiphysiksimulation, stellt SHIFT-Wing vor, das neue Physics-AI-Modell in der SHIFT-Familie. Mit diesem KI-Simulationsmodell können Flugzeugdesigner und Luft- und Raumfahrtingenieure mehr Entwürfe bereits in der Konzeptionsphase untersuchen und kostspielige Nachbesserungen in späten Phasen vermeiden, indem sie aerodynamische Analysen von transsonischen Tragflächen in Echtzeit mit Hilfe von Physics AI Inference durchführen. Das SHIFT-Wing Modell und der Datensatz wurden mit dem Nvidia PhysicsNeMo Framework in Zusammenarbeit mit Otto Aviation entwickelt. Otto Aviation ist ein fortschrittlicher Flugzeughersteller, der eine firmeneigene Laminar-Flow-Technologie einsetzt, um die für den Flug erforderliche Energie zu reduzieren, die im SHIFT-Wing-Modell nicht enthalten ist.

Obi Ndu, Chief Information & Digital Officer bei Otto Aviation, ist sich sicher, dass die Partnerschaft mit Luminary Cloud Ottos Fähigkeit ergänzen werde, die Skalierung beim Erstellen von proprietären, physikbasierten Simulationsdaten freizusetzen. Das ermögliche den Ingenieuren, aerodynamische Konzepte schneller als je zuvor zu untersuchen, zu optimieren und zu validieren.

KI-Simulationsmodell ermöglicht schnelle aerodynamische Analysen und Vorhersagen

Mit den vorhandenen Simulationswerkzeuge und den vereinfachten physikalischen Modellen bleiben potenziell bessere Entwürfe unberücksichtigt, zum Beispiel, was die Wechselwirkungen zwischen Struktur und Steuerung betrifft.

Die Kosten für Entwicklung und Redesign in der kommerziellen Luftfahrt können beträchtlich sein, Kostenüberschreitungen sind nicht selten. Hinzu kommen Vorschriften und Zertifizierungen, die in die Millionen gehen und Jahre dauern. SHIFT-Wing soll nun den Flugzeugherstellern einen neuen Gestaltungsspielraum eröffnen. Luft- und Raumfahrtingenieure haben die Möglichkeit, mit neuen Entwürfen in hoher Genauigkeit und bei geringem Risiko zu experimentieren.

Juan J. Alonso, CTO und Mitbegründer von Luminary Cloud merkt an, dass Shift-Wing KI-getriebene Innovationen für die nächste Generation von Flugzeugen ermögliche. Flugzeughersteller können mehr Entwürfe analysieren, als es bisher möglich gewesen sei und die schnellen aerodynamischen Vorhersagen dazu nutzen, um Interaktionen mit anderen Elementen des Entwurfs, einschließlich Strukturanalyse und Entwurf von Aktuatoren und Steuerungssystemen, zu untersuchen.

Vortrainiertes Modell und Datensatz von SHIFT-Wing sind Open Source

Einer der größten Engpässe bei der Erstellung präziser KI-Physikmodelle war der Zugang zu groß angelegten, originalgetreuen Simulationsdaten - bis jetzt. Der aerodynamische Datensatz des SHIFT-Flügels entstand mit hoher Wiedergabetreue durch parametrische Modifizierung und Simulation von mehreren tausend Geometrievarianten der Flügel-Körper-Geometrie des NASA Common Research Model (ähnlich der Boeing 777) unter Verwendung der CFD-Plattform (Computational Fluid Dynamics) von Luminar. Die Lösungen wurden mit der Luminary Mesh Adaptation erstellt, die hohe Genauigkeit und Auflösung aller Strömungsmerkmale gewährleistet, einschließlich Stoßwellen. Das Modell wurde auf diesem Datensatz mit Nvidia PhysicsNeMo trainiert. Dabei kam die DoMINO-Architektur für externe Aerodynamik zum Einsatz, um Vorhersagen zu ermöglichen. Wie SHIFT-SUV, das erste Modell von Luminary Cloud für SUV-Vorhersagen im Automobilbereich, sind auch das vortrainierte Modell und der Datensatz von SHIFT-Wing Open Source für die nicht-kommerzielle Nutzung und können für die kommerzielle Nutzung lizenziert werden.

KI-basierter Arbeitsablauf

Der KI-basierte Arbeitsablauf unterstützt die Ingenieure, indem er ihnen mehr Zeit und Raum für kreatives Denken gibt. Mit KI-Inferenz und einer hohen Genauigkeit von bis zu 2 % bei der Vorhersage des Luftwiderstandsbeiwerts für Verteilungsmuster ermöglicht SHIFT-Wing eine interaktive Design-Exploration, inverses Design, Belastungsberechnungen und Design-Optimierung bei realistischen Problemstellungen einschließlich aller erforderlichen Einschränkungen. Die Physics AI-Modelle liefern schnell genaue Erkenntnisse zur aerodynamischen Leistung - besonders wertvoll in der frühen konzeptionellen Entwurfsphase.

Leistungsmerkmale

Das Physics AI-Modell bietet mehrere wichtige Leistungsmerkmale für die Luft- und Raumfahrtindustrie, wie zum Beispiel:

• Schnelle Anwendung von Physics AI-Modellen zur Optimierung von Flügeldesigns.
• Erzielung missionsgerechter Flügelentwürfe in einem Bruchteil der herkömmlichen Entwicklungszeit.
• Anwender können den gesamten Geschwindigkeitsbereich, von Unterschall bis Überschall, zuverlässig abdecken. Die SHIFT-Wing-Datenbank kombiniert präzise Simulationen mit der Netzanpassung von Luminary, um Schocks, Grenzschichten und Scherschichten korrekt aufzulösen und zu erfassen.
• Zugang zu einem umfangreichen, umfassend validierten Simulationsdatensatz. Das Modell basiert auf der weithin bekannten NASA-CRM-Geometrie, die anhand von Tausenden von CFD-Simulationen mit unterschiedlichen Anstellwinkeln, Konfigurationen und Strömungsbedingungen trainiert und parametrisiert wurde. Somit werden zahlreiche realistische Flügelgeometrien unter Anleitung von Otto Aviation und Luminary-Experten beschrieben.
• Anpassen an vorhandene Anwendungen. Das SHIFT-Wing-Modell lässt sich individualisieren, indem der mitgelieferte große Datensatz und das Physics AI-Modell um realitätsnahe Simulationen erweitert wird. Die Anpassung ist entscheidend für die genaue und effektive Nutzung von Physics AI in Hochgeschwindigkeitsströmungen und ermöglicht eine bessere Feinabstimmung des Modells, um die Anforderungen der technischen Disziplinen zu erfüllen.

KI-Simulationsmodell bei Otto Aviation

Bei Otto Aviation, so Scott Drennan, President & COO von Otto Aviation, habe man herausgefunden, wie wir man ein Flugzeug entwerfen, herstellen und unterstützen könne, das in einer laminaren Strömung fliege. Dazu habe man die proprietären Laminar-Algorithmen auf der Luminary-Plattform eingesetzt und auf der Celera 500 sowie in Entwicklungswindkanaltests des transsonischen Flugzeugs Phantom 3500 validiert.

Tim Costa, Senior Director of CAE & CUDA-X bei Nvidia ist überzeugt, dass Luminary Cloud mit Nvidia PhysicsNeMo Werkzeuge baue, die die Branche mit aerodynamischer Simulation und Designoptimierung in nahezu Echtzeit verändern werden.

Luft- und Raumfahrtunternehmen sowie Forschungseinrichtungen, die sich für das SHIFT-Flügelmodell und den Datensatz interessieren, können ab sofort direkt über Hugging Face darauf zugreifen.

Weitere Informationen zu den SHIFT-Modellen unter: https://www.luminarycloud.com/models/.