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Título: Implementação de algoritmos evolutivos na otimização multidisciplinar de uma aeronave destinada à competição SAE aerodesign
Título(s) alternativo(s): Implementation of evolutionary algorithms in the multidisciplinary optimization of an aircraft designed for the SAE aerodesign competition
Autor(es): Carraro, Gustavo Chaves
Jankoski, Jordano Luiz
Orientador(es): Barbosa, Marcos Vinicius
Palavras-chave: Aeronaves
Competições
Algorítmos
Otimização estrutural
Airships
Contests
Algorithms
Structural optimization
Data do documento: 10-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Ponta Grossa
Citação: CARRARO, Gustavo Chaves; JANKOSKI, Jordano Luiz. Implementação de algoritmos evolutivos na otimização multidisciplinar de uma aeronave destinada à competição SAE aerodesign. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2025.
Resumo: O desenvolvimento de aeronaves competitivas para a competição SAE Brasil AeroDesign demanda a integração de múltiplas áreas do conhecimento, visando maximizar a pontuação de voo, que é diretamente relacionada à carga paga transportada. Diante da complexidade e do tempo exigido nos métodos tradicionais de projeto, este trabalho teve como objetivo desenvolver uma ferramenta computacional de Otimização Multidisciplinar de Projeto capaz de automatizar a fase conceitual e preliminar de aeronaves rádio-controladas. A metodologia adotada baseou-se na implementação de algoritmos evolutivos, utilizando a Evolução Diferencial para a otimização de um perfil aerodinâmico de alta sustentação e Algoritmos Genéticos para a otimização global da aeronave. A ferramenta integrou módulos de Aerodinâmica, Estabilidade e Controle, Desempenho e Estruturas. Para verificar os modelos aerodinâmicos de baixa fidelidade, foram realizadas comparações com dados experimentais e simulações de dinâmica dos fluidos computacional. A otimização do perfil da asa, utilizando funções de parametrização de forma, resultou em um aumento percentual relevante no coeficiente de sustentação máximo em comparação ao perfil base, mantendo características geométricas viáveis para a manufatura. No âmbito da aeronave completa, o algoritmo convergiu para uma configuração de asa média e empenagem em U, demonstrando capacidade de equilibrar os trade-offs entre peso estrutural, arrasto induzido e requisitos de estabilidade. A ferramenta mostrou-se robusta ao simular a decolagem e a trimagem em diferentes condições, resultando em um projeto com elevada razão de carga paga em relação ao peso máximo de decolagem. Conclui-se que a aplicação de técnicas de otimização multidisciplinar oferece vantagens significativas na redução do ciclo de projeto e na obtenção de aeronaves de alto desempenho, validando a metodologia proposta como uma solução eficaz para o contexto da competição.
Abstract: The design of competitive aircraft for the SAE Brasil AeroDesign competiton demands the coupling of numerous areas, aiming to maximize the flight score, which is directly related to the payload. Given the complexity and the time required of conventional design methods, one seeks through this work to develop a computational tool for the Multidisciplinary Design Optimization capable of automating the conceptual and preliminary project stages of radio-controlled aircraft. The methodology adopted was based on the implementation of evolutionary algorithms, using Differential Algorithm for the optimization of a high-lift airfoil and Genetic Algorithms for the global aircraft optimization. The tool is composed of Aerodynamics, Stability and Control, Performance and Structural modules. In order to verify the low fidelity aerodynamic models, comparisons with experimental data and computational fluid dynamics simulations were carried out. The optimization of the wing’s airfoil, which utilizes shape parameterization functions, resulted in a relevant increase in the maximum lift coefficient when compared to the baseline airfoil, keeping the geometric features that make the aircraft manufacturing feasible. Regarding the aircraft optimization, the algorithm converged to a mid wing and U-tail aircraft, showing the capacity to deal with trade-offs between structural weight, induced drag and stability requirements. The tool has proven to be robust when simulating takeoff and trim at different conditions, resulting in a project with a high payload to maximum takeoff weight ratio. One can conclude that the application of multidisciplinary optimization techniques offers distinguished advantages when it comes to reducing the design cycle and obtaining high-performance aircraft, validating the proposed methodology as an effective solution in the competition’s context.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40137
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