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

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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

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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

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Appendix M: 747 Sensitivity Matrix Output File (sens_example.sens) .. . . . .