PyPAD: a framework for multidisciplinary aircraft design

This work describes the implementation of a framework dedicated to the preliminary design of a new fixed wing aircraft. The project of a new aircraft is a very complex and iterative task and it is becoming more challenging due to the continuous demand of better performances in terms of fuel consumption to reduce the operative cost of the aircraft. Thanks to new technologies, like composite materials, the structures are becoming more and more flexible and the aeroelastic effects are becoming much more important and must be taken in consideration as soon as possible during the project, using tools able to describes the physics of the problem with the best level of fidelity. To respond to this problem, therefore to provide valid tools for the engineers, a framework called PyPAD (a PYthon package for Preliminary Aircraft Design) has been developed. The framework provides mainly three different tools, the first one is a model generator able to define automatically FEM models and aerodynamic models starting from a description of the aircraft in the CPACS format. Thanks to this tool, it would possible to define several models efficiently, speeding the iterative design. The second tool is an aeroelastic solver defined to compute loads and aeroelastic responses in all the conditions requested by the structural sizing, coupling the FEM models with an aerodynamic solver developed using the Morino method. The third tool is a multi-disciplinary optimizer dedicated to the structural sizing of the aircraft using several criteria, like stresses or aeroelastic responses. In this work the whole framework is described and several test case are reported to show the capabilities of the several tools.

Questa tesi descrive il lavoro fatto per l’implementazione di un framework dedicato al progetto preliminare di velivoli ad ala fissa. I nuovi progetti, di per se già iterativi ed estremamente complessi, introducono ulteriori difficoltà legate alla continua ricerca di migliori prestazioni e strutture più leggere in grado di diminuire i consumi di combustibile e quindi il costo di utilizzo. Le strutture, grazie anche all’utilizzo di materiali compositi, sono sempre più flessibili, di conseguenza gli effetti aeroelastici diventano sempre più importanti ed è necessario che vengano presi in considerazione sin dalle prime fasi del progetto con strumenti in grado di rappresentare il problema nel migliore dei modi. Per rispondere a questa esigenza è stato sviluppato e testato un framework che può essere un valido strumento per i progetti- sti di velivoli ad ala fissa. Questo framework, chiamato PyPAD (a PYthon package for Preliminary Aircraft Design) è composto principalmente da tre strumenti. Il primo è un generatore automatico di modelli in grado di definire modelli strutturali FEM e modelli aerodinamici in modo del tutto automatico partendo da una descrizione del velivolo in formato CPACS. In questo modo, data la natura iterativa del processo, sarà possibile definire modelli molto più velocemente e in modo ripetibile. Il secondo strumento è un solutore aeroelastico in grado di calcolare i carichi e le risposte aeroelastiche in tutte le condizioni richieste dal dimensionamento strutturale, accoppiando modelli FEM e un solutore aerodinamico basato sul metodo di Morino. Il terzo strumento è un ottimizzatore multidisciplinare in grado di dimensionare la struttura del velivolo rispettando diversi criteri, sia strutturali che aeroelastici. Questa tesi descrive la definizione di PyPAD, mostrandone le potenzialità attraverso tre diversi casi di applicazione.