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Transcript of Truss-Braced Wing Code Description and User's Manual by ... · PDF fileUser's Manual by Joel...
Truss-Braced Wing Code Description andUser's Manual
byJoel Grasmeyer
Graduate Research AssistantJanuary, 1998
VPI-AOE-255
This work is supported under NASA Grant NAG 1-1852
W.H. Mason, Faculty Advisor
Multidisciplinary Analysis and Design Center for Advanced VehiclesDepartment of Aerospace and Ocean EngineeringVirginia Polytechnic Institute and State University
Blacksburg, VA 24061
ii
Contents
List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
List of Tables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Code Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.1. Main TBW Code (main.f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Input, Conversion, and Output Subroutines (io.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3. Optimization Subroutine (opt.f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.4. Sensitivity Matrix Subroutine (sens.f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.5. Analysis Subroutine (eval.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5.1. Wing Area and Reference Area.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.5.2. Lift Coefficients at Cruise and Takeoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5.3. Aerodynamic Analysis .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5.4. Rubber Engine Sizing .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5.5. Fuel Capacity and Distribution .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.5.6. Weight Estimation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.5.7. Performance .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.5.8. Measures of Effectiveness .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.5.9. Constraints .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2.6. Aerodynamics Subroutine (aero.f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142.6.1. Induced Drag (idrag.f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142.6.2. Friction and Form Drag (fdrag.f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152.6.3. Wave Drag (wdrag.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162.6.4. Interference Drag (intdrag.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.7. Fuel Capacity and Distribution Subroutine (tank.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192.8. Weight Subroutine (wing.f and wate.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212.9. Performance Subroutine (perf.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
3. Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
iii
3.1. Configuration Parameters .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233.1.1. Geometry Parameters.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233.1.2. Weight Parameters.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293.1.3. Performance Parameters.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313.1.4. Induced Drag Code Parameters.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333.1.5. Friction and Wave Drag Code Parameters.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343.1.6. Cost Parameters.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
3.2. Execution Control Parameters.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .353.3. Examples Illustrating the Execution Options.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3.3.1. Single Analysis.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383.3.2. Optimization .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383.3.3. Sensitivity Matrices .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393.3.4. Parameter Trade Study .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
4. Output. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1. Analysis Output File (*.out) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404.2. Optimization Output File (*.opt). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404.3. Sensitivity Matrix Output File (*.sens) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .414.4. Parameter Trade Study Output File (*.par). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .414.5. Design Database in Excel .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
5. Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.1. Boeing 747-100 ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435.2. Boeing Single-Strut-Braced Wing Design.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Appendices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Appendix A: Main TBW Code (main.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48Appendix B: Input, Conversion, and Output Code (io.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55Appendix C: Optimization Code (opt.f). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86Appendix D: Sensitivity Matrix Code (sens.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91Appendix E: Analysis Code (eval.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96Appendix F: Aerodynamic Code (aero.f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Appendix G: 747 Analysis Input File (eval_example.in) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Appendix H: 747 Analysis Output File (eval_example.out). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Appendix I: 747 Optimization Input File (opt_example.in) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Appendix J: 747 Optimization Output File (opt_example.opt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Appendix K: Input File for Optimum Design (opt_exampleopt.in) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 136Appendix L: 747 Sensitivity Matrix Input File (sens_example.in) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
iv
Appendix M: 747 Sensitivity Matrix Output File (sens_example.sens) .. . . . .