Robust analysis and optimization process for simulation-enhanced design of flexible aircraft
Processus d'analyse et d'optimisation robuste pour la conception d'aéronefs flexibles
Résumé
A main challenge in modern aeronautics is to achieve disruptive design solutions for a greener and affordable aviation. One way towards this target is to increase aerodynamic efficiency through very high wing aspect ratios, involving lighter and flexible structures to reduce weight. A main obstacle in this path is to provide trustable predictions at the early design stage, where the conventional approaches fail due to insufficient knowledge, and limited room for high-fidelity analyses. Considerable progress has already been achieved by embedding more efficient, physics-based methods into the process. However, in most cases the effort of studying complex phenomena is not accompanied by an assessment of the inherent uncertainty. And yet, uncertainty can be critical especially in early design, as its negative realization in the advanced phases may produce serious consequences (such as the need to fully redesign the aircraft). The aim of this project is therefore to address this gap, by developing some suitable analysis tools in support of the conceptual design of highly flexible aircraft, with the capability of propagating some relevant uncertainty through the optimization process and finally provide information on the reliability of the results. To this end, we leverage physics-based simulation as the most complete source of information, capable of capturing non-linearities and complex disciplinary interactions typical of flexible airplane dynamics. The project is built around four objectives: 1) the development of a set of adequate models for aerodynamics, flight dynamics and structural dynamics; 2) the integration of the above modules with an aircraft sizing tool to broaden the design exploration capabilities by taking into account discipline-related uncertainty and constraints; 3) the expansion of the analysis capabilities and set of constraints by enabling coupled aero-structural analyses under uncertainty; 4) the demonstration of a robust design and optimization process for a highly flexible aircraft concept. After a detailed discussion of the background and relevant literature, this document continues presenting and discussing the development, validation and integration of the different analysis tools. Then, it introduces a first application where some of the analysis and simulation capabilities are exploited for an aircraft multi-disciplinary design & optimization process, where uncertainty is allowed to be propagated into some key performance indices. A second, more complex architecture is subsequently presented, where static and dynamic aeroelasticity is taken into account, with and without uncertainty. Finally, some studies are performed demonstrating how the proposed framework can be successfully employed in a robust analysis and optimization process of high aspect ratio flexible aircraft. Conclusions and future perspectives are then elaborated in the final chapter.
L'un des principaux défis de l'aéronautique moderne consiste à trouver des solutions de conception novatrices pour une aviation plus écologique et plus abordable. L'un des moyens d'atteindre cet objectif est d'accroître l'efficacité aérodynamique grâce à des ailes très allongées, impliquant des structures plus légères et flexibles pour réduire le poids. L'un des principaux obstacles est de fournir des prévisions fiables dès les premières étapes de la conception, là où les approches conventionnelles échouent en raison d'une connaissance insuffisante et d'une marge de manœuvre limitée pour les analyses de haute fidélité. Des progrès considérables ont déjà été réalisés en intégrant dans le processus de conception des méthodes plus efficaces basées sur la physique. Cependant, dans la plupart des cas, l'étude des phénomènes complexes n'est pas accompagnée d'une évaluation des risques inhérents. Or, l'incertitude peut être critique, en particulier au début des phases de conception, car sa méconnaissance dans les phases avancées peut avoir de graves conséquences (comme la nécessité de revoir entièrement la conception de l'aéronef). L'objectif de ce projet est donc de combler cette lacune, en développant des outils d'analyse appropriés pour soutenir la conception d'avions hautement flexibles, avec la capacité de propager certaines incertitudes pertinentes à travers le processus d'optimisation et enfin de fournir des informations sur la fiabilité des résultats. À cette fin, nous utilisons la simulation basée sur la physique comme source d'information la plus complète, capable de capturer les non-linéarités et les interactions disciplinaires complexes ypiques de la dynamique des avions flexibles. Le projet s'articule autour de quatre objectifs : 1) le développement d'un ensemble de modèles adéquats pour l'aérodynamique, la dynamique du vol et la dynamique structurelle ; 2) l'intégration des modules ci-dessus avec un outil de dimensionnement d'avion pour élargir les capacités d'exploration de la conception en prenant en compte l'incertitude et les contraintes liées à la discipline ; 3) l'expansion des capacités d'analyse et de l'ensemble des contraintes en permettant des analyses couplées aéro-structure dans l'incertitude ; 4) la démonstration d'un processus de conception et d'optimisation robuste pour un concept d'avion hautement flexible. Après une discussion détaillée du contexte et de la littérature pertinente, ce document continue à présenter et à discuter le développement, la validation et l'intégration des différents outils d'analyse. Il présente ensuite une première application dans laquelle certaines des capacités d'analyse et de simulation sont exploitées dans le cadre d'un processus multidisciplinaire de conception et d'optimisation d'un aéronef, où l'incertitude est autorisée à se propager dans certains indices de performance clés. Une deuxième architecture, plus complexe, est ensuite présentée, où l'aéroélasticité statique et dynamique est prise en compte, avec et sans incertitude. Enfin, certaines études démontrent comment le cadre proposé peut être utilisé avec succès dans un processus d'analyse et d'optimisation robuste d'aéronefs flexibles à grand allongement. Les conclusions et les perspectives d'avenir sont élaborées dans le dernier chapitre.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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