Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models

The ongoing pursuit for more efficient transportation has led engineers to design lighter and blended wings in order to reduce fuel consumption and emissions. However, these designs introduce strong aeroelastic couplings that can result in failure. As a result, aeroelastic analysis and optimization...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Φιλίππου, Ευάγγελος
Άλλοι συγγραφείς: Filippou, Evangelos
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/24438
id nemertes-10889-24438
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Aeroelasticity
NASA common research model
Scaling
Fluid-structure interaction
Design optimization
Αεροελαστικότητα
Κλιμάκωση πτερύγων
Αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού
Βελτιστοποίηση σχεδίασης
spellingShingle Aeroelasticity
NASA common research model
Scaling
Fluid-structure interaction
Design optimization
Αεροελαστικότητα
Κλιμάκωση πτερύγων
Αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού
Βελτιστοποίηση σχεδίασης
Φιλίππου, Ευάγγελος
Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models
description The ongoing pursuit for more efficient transportation has led engineers to design lighter and blended wings in order to reduce fuel consumption and emissions. However, these designs introduce strong aeroelastic couplings that can result in failure. As a result, aeroelastic analysis and optimization have become crucial aspects of aircraft design in modern times. Additionally, aeroelastic testing of scaled models is another key phase in the development of aircrafts. The accurate prediction of aeroelastic response through the construction of models is vital for cost reduction and avoiding risky flight testing. This is achieved by maximizing the similarity of stiffness and mass distribution along with the flow field similarity during the creation of the scaled model. However, in today's lightweight aircrafts, the exact same geometry cannot be scaled down, requiring the use of a different configuration. This variation in configuration affects the aeroelastic response, making the use of computational aeroelasticity tools and optimization algorithms necessary. This computational technique constitutes a modern approach to aeroelastic scaling. This thesis focuses on developing an aeroelastic scaling framework using multidisciplinary optimization. Specifically, a parametric wing finite element model (FEM) is created that incorporates both thickness and geometry parameterization, primarily using shell elements. The aerodynamic loads are calculated using the DLM method along with twist and camber correction factors, and the coupling is established through the use of infinite plate splines. The aeroelastic model is then integrated with an Ant Colony Optimization (ACO) algorithm to achieve static and dynamic similarity between the scaled model and the reference wing. The key contribution of this thesis is the inclusion of internal geometry parameterization within the framework. The results of the implementation of a two-step optimization technique indicated high similarity in both the static aeroelastic and modal response of the two wings. The root mean square error (RMSE) of the in-flight shapes converged to 0.055m in the full scale and the mean MAC value of the first 5 modes was 0.934.
author2 Filippou, Evangelos
author_facet Filippou, Evangelos
Φιλίππου, Ευάγγελος
author Φιλίππου, Ευάγγελος
author_sort Φιλίππου, Ευάγγελος
title Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models
title_short Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models
title_full Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models
title_fullStr Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models
title_full_unstemmed Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models
title_sort aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24438
work_keys_str_mv AT philippoueuangelos aeroelasticandstructuralsimilarityoptimizationofscaledwingmodels
AT philippoueuangelos beltistopoiēsēaeroelastikēskaidomikēsomoiotētaspterygōnypoklimaka
_version_ 1771297354679320576
spelling nemertes-10889-244382023-02-15T04:38:17Z Aeroelastic and structural similarity optimization of scaled wing models Βελτιστοποίηση αεροελαστικής και δομικής ομοιότητας πτερύγων υπό κλίμακα Φιλίππου, Ευάγγελος Filippou, Evangelos Aeroelasticity NASA common research model Scaling Fluid-structure interaction Design optimization Αεροελαστικότητα Κλιμάκωση πτερύγων Αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού Βελτιστοποίηση σχεδίασης The ongoing pursuit for more efficient transportation has led engineers to design lighter and blended wings in order to reduce fuel consumption and emissions. However, these designs introduce strong aeroelastic couplings that can result in failure. As a result, aeroelastic analysis and optimization have become crucial aspects of aircraft design in modern times. Additionally, aeroelastic testing of scaled models is another key phase in the development of aircrafts. The accurate prediction of aeroelastic response through the construction of models is vital for cost reduction and avoiding risky flight testing. This is achieved by maximizing the similarity of stiffness and mass distribution along with the flow field similarity during the creation of the scaled model. However, in today's lightweight aircrafts, the exact same geometry cannot be scaled down, requiring the use of a different configuration. This variation in configuration affects the aeroelastic response, making the use of computational aeroelasticity tools and optimization algorithms necessary. This computational technique constitutes a modern approach to aeroelastic scaling. This thesis focuses on developing an aeroelastic scaling framework using multidisciplinary optimization. Specifically, a parametric wing finite element model (FEM) is created that incorporates both thickness and geometry parameterization, primarily using shell elements. The aerodynamic loads are calculated using the DLM method along with twist and camber correction factors, and the coupling is established through the use of infinite plate splines. The aeroelastic model is then integrated with an Ant Colony Optimization (ACO) algorithm to achieve static and dynamic similarity between the scaled model and the reference wing. The key contribution of this thesis is the inclusion of internal geometry parameterization within the framework. The results of the implementation of a two-step optimization technique indicated high similarity in both the static aeroelastic and modal response of the two wings. The root mean square error (RMSE) of the in-flight shapes converged to 0.055m in the full scale and the mean MAC value of the first 5 modes was 0.934. Η συνεχής αναζήτηση για πιο αποδοτικές μεταφορές οδήγησε τους μηχανικούς να σχεδιάσουν πιο ελαφριές και επιμήκεις πτέρυγες προκειμένου να μειώσουν την κατανάλωση καυσίμου και, κατά συνέπεια, τις εκπομπές ρύπων. Ωστόσο, αυτές οι τεχνικές εισάγουν ισχυρές αεροελαστικές συζεύξεις που μπορεί να προκαλέσουν αστοχία. ΄Ετσι, στα σύγχρονα αεροσκάφη η αεροελαστική ανάλυση και η βελτιστοποίηση έχουν αποδειχθεί από τις πιο σημαντικές πτυχές του σχεδιασμού. Παρόλα αυτά, εκτός από τον προσεκτικό αεροελαστικό σχεδιασμό, μια άλλη βασική φάση στην ανάπτυξη των αεροσκαφών είναι η αεροελαστική δοκιμή μοντέλων υπό-κλίμακα. ΄Ετσι,η κατασκευή μοντέλων που προβλέπουν με ακρίβεια την αεροελαστική απόκριση είναι πολύ σημαντική και ωφελεί την ανάπτυξη με μειωμένο κόστος και αποφυγή επικίνδυνων δοκιμών πτήσης. Η παραγωγή ενός μοντέλου υπό-κλίμακα βασίζεται στη μεγιστοποίηση της ομοιότητας της δυσκαμψίας και της κατανομής μάζας σε συνδυασμό με την ομοιότητα του πεδίου ροής. Στα σημερινά ελαφρά αεροσκάφη η κλιμάκωση της ίδιας ακριβώς γεωμετρίας δεν μπορεί να κατασκευαστεί και, επομένως, πρέπει να χρησιμοποιηθεί διαφορετική διαμόρφωση. Η χρήση διαφορετικών διαμορφώσεων μεταβάλλει την αεροελαστική απόκριση και η χρήση εργαλείων υπολογιστικής αεροελαστικότητας σε συνδυασμό με αλγόριθμους βελτιστοποίησης είναι απαραίτητη. Αυτή η υπολογιστική τεχνική συνιστά μια σύγχρονη προσέγγιση στην δημιουργία αεροελαστικά όμοιων μοντέλων υπό-κλίμακα. Η παρούσα διπλωματική εργασία συνίσταται στην ανάπτυξη ενός υπολογιστικού πλαισίου δημιουργίας υπό-κλίμακα μοντέλων μέσω διεπιστημονικής βελτιστοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσεται ένα παραμετρικό FEM μοντέλο πτέρυγας που υλοποιεί παραμετροποίηση τόσο του πάχους όσο και της εσωτερικής γεωμετρίας, χρησιμοποιώντας κυρίως στοιχεία κελύφους. Για τα αεροδυναμικά φορτία χρησιμοποιείται η μέθοδος DLM σε συνδυασμό με συντελεστές διόρθωσης συστροφής και κύρτωσης και η σύζευξη επιτυγχάνεται με τη χρήση infinite plate splines. Το αεροελαστικό μοντέλο στη συνέχεια ενσωματώνεται σε έναν αλγόριθμο ACO προκειμένου να επιτευχθεί στατική και δυναμική ομοιότητα μεταξύ του υπό-κλίμακα μοντέλου και της πτέρυγας αναφοράς. Η κύρια καινοτομία της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ενσωμάτωση της παραμετροποίησης της εσωτερικής γεωμετρίας στο υπολογιστικό πλαίσιο. Με την εφαρμογή της τεχνικής βελτιστοποίησης δύο βημάτων, τα αποτελέσματα έδειξαν υψηλή ομοιότητα τόσο στη στατική αεροελαστική όσο και στην μορφική απόκριση των δύο πτερύγων καθώς το RMSE των μετατοπίσεων των δύο πτερύγων συνέκλινε στα 0.055 m (στην πλήρηκλίμακα) και η μέση τιμή MAC των πρώτων 5 ιδιόμορφών στο 0.934. 2023-02-14T06:37:41Z 2023-02-14T06:37:41Z 2023-02-13 https://hdl.handle.net/10889/24438 en application/pdf