The maximum horizontal flight speed of tiltrotor aircraft is limited by the aeroelastic instability called whirl flutter. Nowadays, though, the phenomenon understanding is still limited. For this reason, filling such knowledge gap is a well established goal. In order to gain better understanding of whirl flutter, the current research efforts are focusing on investigating the stability of arbitrary tiltrotor configurations. This is supported by the construction of wind tunnel test-beds designed to model and analyze a wide range of tiltrotor assemblies. Alongside such experimental research campaigns, the need of developing strong and flexible numerical tools is mandatory to both guide and gain information from the real test-beds. As consequence, in this work, the development of TiPa is presented. The software defines a flexible interface to the general-purpose multibody dynamics solver MBDyn to provide a parametric tiltrotor model generation and investigation tool. The tool is combined with DAKOTA, an Uncertainty Quantification (UQ) software. This cooperation gives birth to a complete aeroelastic stochastic predictor conceived to simplify the identification of the system design parameters that mostly affect the stability margin of an arbitrary tiltrotor configuration. The use of the generalized Polynomial Chaos Expansions (gPCE) provides an efficient and versatile forward propagating UQ tool, which delivers useful information through the assessment of the system stochastic response to a set of non-deterministic inputs. The thesis proposes two versions of the parametric model generator. One is based on the definition of complete MBDyn tiltrotor models while the other one relies on the generation of two different subsystems to be assembled through a substructuring approach. The second strategy relies on adaptations of both the multiblade coordinates (MBC) transformation and the Craig-Bampton approach applied to MBDyn multibody formulation.

Questo lavoro presenta lo sviluppo di un solutore parametrico e stocastico per lo studio dell'instabilità aeroelastica chiamata whirl flutter tipica dei convertiplani. La tesi presenta sia la completa concezione teorica dello strumento che la sua applicazione. Lo formulazione del solutore si basa sull'interazione di tre elementi: un generatore parametrico di modelli di convertiplano chiamato TiPa, il solutore aeroelastico multicorpo MBDyn e il software DAKOTA. L'interazione dei tre è disegnata per fornire un completo strumento di investigazione aeroelastica in grado di valutare gli effetti della presenza di parametri non-deterministici sulla risposta dei modelli testati. Lo scopo principale di ciò è facilitare l'identificazione dei parametri che più contribuiscono all'insorgere del whirl flutter. Lo sviluppo di TiPa è iniziato prendendo ispirazione dal progetto TRAST. L'obiettivo di tale progetto è l'incremento dell'attuale livello di conoscenza del fenomeno aeroelastico, promuovendo l'identificazione dei fattori che più contribuiscono alla nascita del whirl flutter in una generica configurazione di questi velivoli. TiPa è stato disegnato appositamente per fornire una interfaccia flessibile alla modellazione di set-up arbitrari in galleria del vento. La concezione parametrica di TiPa è stata fondamentale per introdurre un metodo di propagazione in avanti di parametri incerti. L'implementazione di tale formalismo, possibile grazie al software DAKOTA, produce un nuovo cluster di informazioni che favorisce l'investigazione parametrica dell'instabilità. La tesi riporta una dettagliata revisione dei principali metodi che possono essere usati nella propagazione di parametri incerti, con il fine di individuare lo strumento ottimale da introdurre nel formalismo completo del solutore. La versione non-intrusiva della generalized Polynomial Chaos Expansions technique (gPCE) è stata selezionata per lo scopo in quanto metodo più efficente, versatile e adatto alla specifica applicazione. La completa definizione del solutore parametrico e stocastico è data dalla combinazione di TiPa e DAKOTA. Questo permette sia l'esecuzione di complete analisi di sensitività globale e locale, sia l'investigazione della risposta del sistema a input non-deterministici attraverso la definizione delle funzioni di densità di probabilità delle risposte e all'identificazione stocastica delle curve di flutter. Le simualazioni di DAKOTA e TiPa forniscono quindi un ampio range di informazioni a supporto dell'identificazione dei parametri più pericolosi per lo sviluppo del whirl flutter. TiPa permette la generazione dei modelli di convertiplano attraverso due approcci differenti. Il primo si basa sulla definizione completa di un modello MBDyn dell'intero set-up desiderato. Il secondo, invece, si basa sulla generazione individuale di due sottomodelli rappresentanti rispettivamente il sistema ala e il sistema rotore. Questi sono uniti in un secondo momento grazie un processo di sottostrutturazione. Il primo approccio, come presenta la tesi, è limitato dalla forte dipendenza del processo dalla convergenza del software multicorpo. Questo, in certi casi, può minare l'identificazione stocastica della condizione di flutter. Il secondo approccio, invece, cerca di superare questo limite. Per fare ciò è stato introdotto un adattamento innovativo della trasformazione in coordinate multipala per i gradi di libertà multicorpo di MBDyn. La sottostrutturazione viene eseguita tramite una versione del metodo di Craig-Bampton applicata a MBDyn. Tuttavia, allo stato di sviluppo attuale, il secondo metodo di modellazione non permette ancora di ottenere una corretta rappresentazione del sistema generato a causa di inesattezze nell'identificazione delle frequenze associate ai modi propri del convertiplano. Per questo motivo, il completamento dello sviluppo di tale approccio viene lasciato alla ricerca futura.

Development of a stochastic parametric tiltrotor whirl flutter numerical predictor using general-purpose multibody and optimization software

GUERRONI, FEDERICO
2019/2020

Abstract

The maximum horizontal flight speed of tiltrotor aircraft is limited by the aeroelastic instability called whirl flutter. Nowadays, though, the phenomenon understanding is still limited. For this reason, filling such knowledge gap is a well established goal. In order to gain better understanding of whirl flutter, the current research efforts are focusing on investigating the stability of arbitrary tiltrotor configurations. This is supported by the construction of wind tunnel test-beds designed to model and analyze a wide range of tiltrotor assemblies. Alongside such experimental research campaigns, the need of developing strong and flexible numerical tools is mandatory to both guide and gain information from the real test-beds. As consequence, in this work, the development of TiPa is presented. The software defines a flexible interface to the general-purpose multibody dynamics solver MBDyn to provide a parametric tiltrotor model generation and investigation tool. The tool is combined with DAKOTA, an Uncertainty Quantification (UQ) software. This cooperation gives birth to a complete aeroelastic stochastic predictor conceived to simplify the identification of the system design parameters that mostly affect the stability margin of an arbitrary tiltrotor configuration. The use of the generalized Polynomial Chaos Expansions (gPCE) provides an efficient and versatile forward propagating UQ tool, which delivers useful information through the assessment of the system stochastic response to a set of non-deterministic inputs. The thesis proposes two versions of the parametric model generator. One is based on the definition of complete MBDyn tiltrotor models while the other one relies on the generation of two different subsystems to be assembled through a substructuring approach. The second strategy relies on adaptations of both the multiblade coordinates (MBC) transformation and the Craig-Bampton approach applied to MBDyn multibody formulation.
ZANONI, ANDREA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
6-giu-2020
2019/2020
Questo lavoro presenta lo sviluppo di un solutore parametrico e stocastico per lo studio dell'instabilità aeroelastica chiamata whirl flutter tipica dei convertiplani. La tesi presenta sia la completa concezione teorica dello strumento che la sua applicazione. Lo formulazione del solutore si basa sull'interazione di tre elementi: un generatore parametrico di modelli di convertiplano chiamato TiPa, il solutore aeroelastico multicorpo MBDyn e il software DAKOTA. L'interazione dei tre è disegnata per fornire un completo strumento di investigazione aeroelastica in grado di valutare gli effetti della presenza di parametri non-deterministici sulla risposta dei modelli testati. Lo scopo principale di ciò è facilitare l'identificazione dei parametri che più contribuiscono all'insorgere del whirl flutter. Lo sviluppo di TiPa è iniziato prendendo ispirazione dal progetto TRAST. L'obiettivo di tale progetto è l'incremento dell'attuale livello di conoscenza del fenomeno aeroelastico, promuovendo l'identificazione dei fattori che più contribuiscono alla nascita del whirl flutter in una generica configurazione di questi velivoli. TiPa è stato disegnato appositamente per fornire una interfaccia flessibile alla modellazione di set-up arbitrari in galleria del vento. La concezione parametrica di TiPa è stata fondamentale per introdurre un metodo di propagazione in avanti di parametri incerti. L'implementazione di tale formalismo, possibile grazie al software DAKOTA, produce un nuovo cluster di informazioni che favorisce l'investigazione parametrica dell'instabilità. La tesi riporta una dettagliata revisione dei principali metodi che possono essere usati nella propagazione di parametri incerti, con il fine di individuare lo strumento ottimale da introdurre nel formalismo completo del solutore. La versione non-intrusiva della generalized Polynomial Chaos Expansions technique (gPCE) è stata selezionata per lo scopo in quanto metodo più efficente, versatile e adatto alla specifica applicazione. La completa definizione del solutore parametrico e stocastico è data dalla combinazione di TiPa e DAKOTA. Questo permette sia l'esecuzione di complete analisi di sensitività globale e locale, sia l'investigazione della risposta del sistema a input non-deterministici attraverso la definizione delle funzioni di densità di probabilità delle risposte e all'identificazione stocastica delle curve di flutter. Le simualazioni di DAKOTA e TiPa forniscono quindi un ampio range di informazioni a supporto dell'identificazione dei parametri più pericolosi per lo sviluppo del whirl flutter. TiPa permette la generazione dei modelli di convertiplano attraverso due approcci differenti. Il primo si basa sulla definizione completa di un modello MBDyn dell'intero set-up desiderato. Il secondo, invece, si basa sulla generazione individuale di due sottomodelli rappresentanti rispettivamente il sistema ala e il sistema rotore. Questi sono uniti in un secondo momento grazie un processo di sottostrutturazione. Il primo approccio, come presenta la tesi, è limitato dalla forte dipendenza del processo dalla convergenza del software multicorpo. Questo, in certi casi, può minare l'identificazione stocastica della condizione di flutter. Il secondo approccio, invece, cerca di superare questo limite. Per fare ciò è stato introdotto un adattamento innovativo della trasformazione in coordinate multipala per i gradi di libertà multicorpo di MBDyn. La sottostrutturazione viene eseguita tramite una versione del metodo di Craig-Bampton applicata a MBDyn. Tuttavia, allo stato di sviluppo attuale, il secondo metodo di modellazione non permette ancora di ottenere una corretta rappresentazione del sistema generato a causa di inesattezze nell'identificazione delle frequenze associate ai modi propri del convertiplano. Per questo motivo, il completamento dello sviluppo di tale approccio viene lasciato alla ricerca futura.
Tesi di laurea Magistrale
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