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Aerostructural optimization and aeroelasticity of new generation aircraft

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Publication date
2021-04
Defense date
2021-06-01
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The consolidate growth in the European air traffic and passengers’ number is driving commercial aviation to face important changes, like the need to reduce environmental impact and to satisfy an increasing demand for air transportation, It is a common thought that a technological breakthrough is required to achieve such goal. New technological approaches are being pursued for the new aircraft generation, like distributed propulsion systems, structures characterized by new materials and manufacturing processes and nonconventional wing layouts, such as the blended-wing and the box-wing concepts. Nevertheless, to make such new technologies market competitive a new design approach may be needed. Some of these new concepts, in fact, may be remarkably affected by aeroelastic issues, which need to be taken into account in early design, and their enhanced structural flexibility or their peculiar layout may exacerbate coupling between different disciplines (e.g., flight dynamics and aeroelasticity). Moreover, loads and aerodynamic performances prediction may radically differ with respect to what achieved during conceptual design, if considering plain/rigid configurations only. This dissertation contributes tackling some aspects of the above-mentioned issues. In the first part of this work, a unified flight-dynamic and aeroelastic model for stability analysis is used to address for the first time, with physical insights, the dynamic response of an unconventional box-wing configuration. As observed in previous literature efforts on this configuration, flutter onset is significantly different when considering the aircraft being free in the air or fixed in space. Thanks to the adopted formulation, it is shown how the aerodynamic coupling of elastic and rigid modes has a beneficial effect on the dynamic aeroelastic instability (flutter) onset. However, the different modal properties, consequence of the diverse boundary conditions, when switching from fixed-in-space to free-flying aircraft, also play a relevant role in determining the flutter occurrence. Whereas for the longitudinal case both effects are synergistic, contributing to increase flutter speed, for the lateral-directional case the variation in modal properties has a detrimental and dominating effect, leading to a flutter speed well within the flight envelope. Not only effects of rigid and elastic modes interaction is addressed with respect to the aeroelastic side but the consequent effect on the flexible flight dynamics in terms of deterioration of the flying qualities is quantified. Within the adopted formulation, unsteady aerodynamic forces are modeled by means of an enhanced Doublet Lattice Method, able to take into account terms typically neglected by classic formulations. The work also discusses the relevance of such extra contributions on the dynamic response of the aircraft. In the second part of this work a model for high-fidelity gradient-based aerostructural optimization of wings, assisted by algorithmic differentiation and including aerodynamic and structural nonlinearities, is presented. First, the model is illustrated: a key feature is represented by its enhanced modularity. Each discipline solver, employing algorithmic differentiation for the evaluation of adjoint-based sensitivities, is interfaced at high level by means of a wrapper to both solve the aerostructural primal problem and evaluate discrete-consistent gradients of the coupled problem. Second, to demonstrate the feasibility of the method, a framework is ad-hoc set up, within the open-source SU2 multiphysics suite, with the inclusion of a geometrically nonlinear beam FE and an interface module to deal with non-matching 3D surfaces. Finally, the framework is applied to perform aerostructural optimization of aeroelastic test cases based on the ONERA M6 and NASA CRM wings and featuring relevant structural deflections. Single-point optimizations, employing Euler or RANS flow models, are carried out to find wing optimal outer mold line in terms of aerodynamic efficiency. Results remark the importance of taking into account the aerostructural coupling when performing wing shape optimization.
El crecimiento consolidado del tráfico aéreo europeo y del número de pasajeros está impulsando a la aviación comercial a afrontar cambios importantes, como la necesidad de reducir el impacto medioambiental y de satisfacer una demanda creciente de transporte aéreo. Es pensamiento común que, para lograr tal objetivo, se requiere un avance tecnológico importante. Se están buscando nuevos enfoques tecnológicos para la nueva generación de aviones, como sistemas de propulsión distribuida, estructuras caracterizadas por nuevos materiales y procesos de fabricación y diseños de alas no convencionales, como los conceptos de blended wings (alas integradas) y box wings (alas en caja). No obstante, para que el mercado de estas nuevas tecnologías sea competitivo, puede ser necesario un nuevo enfoque de diseño. Algunos de estos nuevos conceptos, de hecho, pueden verse notablemente afectados por problemas aeroelásticos, que deben tenerse en cuenta en el diseño inicial, y su aumentada flexibilidad estructural o su diseño peculiar pueden exacerbar el acoplamiento entre diferentes disciplinas (por ejemplo, dinámica de vuelo y aeroelasticidad). Además, la predicción de cargas y rendimiento aerodinámico puede diferir radicalmente con respecto a lo que se consigue durante el diseño conceptual, si se consideran únicamente configuraciones simples/rígidas. Esta tesis contribuye a abordar algunos aspectos de los temas previamente mencionados. En la primera parte de este trabajo, se utiliza un modelo unificado de dinámica de vuelo y aeroelasticidad dedicado al análisis de estabilidad para abordar por primera vez, con conocimientos físicos, la respuesta dinámica de una configuración box wing no convencional. Como se observó en las contribuciones de la literatura anterior sobre esta configuración, el inicio del flameo es significativamente diferente cuando se considera que la aeronave está libre o fija en el espacio. Gracias a la formulación adoptada, se muestra cómo el acoplamiento aerodinámico de los modos elásticos y rígidos tiene un efecto beneficioso sobre el inicio de la inestabilidad aeroelástica dinámica (flameo). Sin embargo, las diferentes propiedades modales, consecuencia de las diversas condiciones de contorno, al cambiar de aeronave fija en el espacio a libre, también juegan un papel relevante en la determinación de la ocurrencia del flameo. Mientras que para el caso longitudinal ambos efectos son sinérgicos en contribuir aumentando la velocidad de flameo, para el caso latero-direccional la variación en las propiedades modales tiene un efecto prejudicial y dominante, conduciendo a una velocidad de flameo muy dentro de la envolvente de vuelo. No solo se han tratado los efectos de la interacción de los modos rígidos y elásticos con respecto a considerar puramente aquellos aeroelásticos, sino que se ha cuantificado el efecto consiguiente sobre la dinámica de vuelo flexible en términos de deterioro de las cualidades de vuelo. Dentro de la formulación adoptada, las fuerzas aerodinámicas no estacionarias se modelan mediante un doublet lattice method mejorado, capaz de tener en cuenta los términos típicamente despreciados por las formulaciones clásicas. El trabajo también analiza la importancia de estas contribuciones adicionales en la respuesta dinámica de la aeronave. En la segunda parte de este trabajo se presenta un modelo de optimización aeroestructural de alas basado en gradientes de alta fidelidad, asistido por diferenciación algorítmica y que incluye no linealidades de tipo aerodinámico y estructural. En primer lugar, se ilustra el modelo: una característica clave está representada por su modularidad. Cada solucionador de disciplinas, que emplea método adjunto y diferenciación algorítmica para la evaluación de los gradientes, está interconectado a alto nivel por medio de un administrador para resolver tanto el problema primario aeroestructural como para evaluar los gradientes de tipo discreto consistente del problema acoplado. En segundo lugar, para demostrar la viabilidad del método, se construye un marco ad hoc, dentro del paquete SU2 multiphysics, con la inclusión de un elemento finito viga geométricamente no lineal y un módulo de interfaz para tratar con superficies 3D no coincidentes. Por último, el marco se aplica para realizar la optimización aeroestructural de casos de prueba aeroelástica basados en las alas ONERA M6 y NASA CRM y que presentan deformaciones estructurales relevantes. Se llevan a cabo optimizaciones de punto único, empleando modelos fluidodinámicos Euler o RANS, para encontrar la línea de molde exterior óptima del ala en términos de eficiencia aerodinámica. Los resultados destacan la importancia de tener en cuenta el acoplamiento aeroestructural al realizar la optimización de la forma del ala.
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Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Aeroelasticity, Unsteady aerodynamics, Box-wing, Aircraft dynamics, Aerostructural optimization, Algorithmic differentiation, Adjoint method, Computational fluid dynamics
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