Ottimizzazione aeroelastica in presenza di carichi dinamici

The aim of the work presented in this thesis is to define an aeroelastic optimization problem of the wing box undergoing dynamic loads. The loads applied will be different according to which of the two main aircraft classes is under investigation: civil transport and high manoeuvrability aircraft. For the first one, the load distributions which arise from a continuous turbulence model will be considered and defined in the frequency domain and then statistically characterized. The only way to avoid using statistical quantities, would be considering a discrete gust profile to model its velocity time history. However, this is a simplification of the turbulence phenomenon which is better characterized by a continuous model. Analysis of high manoeuvrability aircrafts needs to consider a second kind of dynamic loads in addition to the ones due to turbulence. Flight conditions encountered throughout the aircraft's life may induce buffeting phenomena, which are also dynamic loads. The stochastic nature of the problem is unavoidable and discrete models are not applicable. Even if flight testing results or CFD (Computational Fluid Dynamics) provide the loads’ time history, they must be included in the analysis through their frequency content combined with statistical quantities. The relevance of these loads for sizing and the deriving fatigue problem are the two main reasons that lead us to consider these kinds of loads from the preliminary stages of the design process when the detailed structure is still not available. From all these aspects, the necessity to include optimization procedures on simplified structural models arises, also including the turbulence and buffeting problems. The reduction of analysis times allows us to compare different solutions and to make better choices for the following design stages. The approach will be implemented using NeoCASS software and its NeoRESP tool for dynamic analysis under development at Politecnico of Milano. They are based on Matlab codes and their target is to provide analysis tools to be applied on simplified models typically used in the early design stages of fixed wing aircrafts. In addition to these software, the Matlab Optimization Toolbox will be used to run the defined optimization problems.

Il lavoro di tesi che viene presentato ha come fine la definizione di un problema di ottimizzazione aeroelastica di un cassone alare sottoposto a carichi di tipo dinamico. La tipologia di questi carichi viene identificata differentemente per due principali categorie di velivoli: da trasporto civile e ad alta capacità di manovra. Nel primo caso, viene presa in esame la distribuzione di carichi derivante da un modello di turbolenza continuo definito nel dominio delle frequenze e la cui caratterizzazione viene completata tramite grandezze statistiche. L'unico approccio che consente di non utilizzare grandezze statistiche è rappresentato dall'utilizzo di una modellazione discreta del profilo di velocità di raffica. Tuttavia, questo modello risulta una semplificazione del fenomeno turbolento che viene meglio rappresentato dal modello continuo. Sui velivoli ad alta capacità di manovra diventa rilevante considerare una seconda tipologia di carichi dinamici in aggiunta a quelli derivanti dalla turbolenza. Le condizioni di volo riscontrate durante la vita di tali velivoli possono instaurare fenomeni di buffet che generano anch'essi carichi dinamici. In questo caso la componente stocastica è imprescindibile e la modellazione discreta risulta impossibile. Qualsiasi grandezza temporale derivante da una prova in volo o da un'analisi CFD (Computational Fluid Dynamic) deve essere descritta tramite grandezze statistiche ed il suo contenuto in frequenza. La natura dimensionante di questi carichi e le problematiche di fatica che possono insorgere fanno sì che debbano essere inclusi già nelle fasi preliminari di design in cui però non si conosce la struttura dettagliata. Da questo panorama, nasce la necessità di utilizzare metodi di ottimizzazione per includere già nelle prime fasi di design analisi dei fenomeni di turbolenza e buffet su modelli semplificati. I tempi di analisi su questi modelli consentono l'analisi e il confronto di molteplici soluzioni su cui adoperare le scelte nelle fasi più avanzate di progetto. L'implementazione dell'approccio coinvolge l'utilizzo dei programmi NeoCASS e NeoRESP in fase di sviluppo presso il Politecnico di Milano. NeoRESP nasce come estensione del pacchetto NeoCASS e quindi anch'esso è basato su linguaggio Matlab ed è rivolto alla fase preliminare di progettazione di un velivolo ad ala fissa. Ai programmi di analisi citati, verranno abbinati gli strumenti contenuti in Matlab per risolvere problemi di ottimizzazione.