A Mid-Fidelity Aeroelastic Environment for Tiltrotor Analysis and Design

Rrotary-wing vehicles like tiltrotors pose a significant challenge for engineers and scientists. To develop new aircraft designs, it is crucial to conduct complete aeroelastic simulations that account for the interaction between the aerodynamics of the rotating wings and the structural dynamics of the vehicle. Additionally, in order to gain deeper insights into the vehicle's performance and guide the design process effectively, it is important to have a thorough understanding of the airflow around the aircraft. The purpose of the research work presented in the thesis is to build and obtain a numerical environment for aeroelastic simulations suitable for complex vehicles such as tiltrotors. The tool aims to position itself among various branches already widely established and explored by the research and aviation sector in general, such as the aerodynamic, aeroelastic, aeromechanical, and design fields. The underlying idea is to provide an environment in which different analyses can be carried out at the same time, thus allowing a complete understanding of the machine's behavior already in the preliminary design phase. To achieve this, a mid-fidelity aerodynamic solver based on the vortex particle method for wake modeling, DUST, is coupled through the partitioned multi-physics coupling library preCICE to a multibody dynamics code, MBDyn. By utilizing a multibody structural model in combination with mid-fidelity numerical software, the method allowed for accurate assessment of aerodynamic interaction effects inherent in rotary-wing aircraft while maintaining a cost-effective approach when compared to traditional and more sophisticated CSD/CFD tools. All of this was done with an open-source approach in order to provide the research community with an accessible and usable tool that can be developed in the future to enhance its capabilities for upcoming studies. The new developed numeric tool has been implemented and validated by comparing their results considering a classic aeroelastic benchmark of wing. Validation tests revealed that providing a more precise explanation of aerodynamics is crucial for replicating the dynamic performance of a wedged wing during flutter state with detail. Particular attention has been dedicated to the solution of the aerodynamic part in order to demonstrate its abilities and limitations in typical configurations of the interactional aerodynamics present in tiltrotors and in VTOL vehicles, through comparisons with numerical and experimental literature data. In general, the results of DUST simulations showed the capability to obtain a degree of accuracy, respecting the limits of the theory on which the code is based, similar to the high-fidelity CFD approach, but at a much lower computational cost. Furthermore, the strength of the DUST approach based on the description of the free wake, has been demonstrated to be the ability to capture the physics of the flow field around the aircraft, a fundamental factor for understanding and investigating different designs in the preliminary phase. This result further highlighted the potential of the implemented approach for the design and investigation of rotorcraft configurations. To demonstrate the modeling flexibility and the type of results that can be achieved, a complete aeroservoelastic tiltrotor model has been implemented. Thanks to the large amount of public data, the XV-15 tiltrotor aircraft equipped with Advanced Technology Blade (ATB) is chosen. In order to highlight the advantages of a more complete and realistic modeling, different hybrid models with different levels of complexity were used. Globally, a good correlation was reached in the analysis for the entire system with literature data. The transient roll maneuver of a complete tiltrotor aircraft is performed, to show the capability of the coupled solver to analyze the aeroelasticity of complex rotorcraft configurations. Simulation results show the importance of the accurate representation of rotary wing aerodynamics provided by the vortex particle method for loads evaluation, aeroelastic stability assessment and analysis of transient maneuvers of aircraft configurations. This work represents a significant advancement in the scientific and industrial community by introducing a novel perspective on coupled simulations utilizing a mid-fidelity aerodynamic solver. The results of this study demonstrate that this approach can yield highly accurate results while utilizing substantially less computational effort than conventional, higher-fidelity CSD tools. The numerical environment that was developed has broad applications across various branches of aeronautical projects and beyond, such as in wind energy and turbomachinery applications.

Il design di velivoli ad ala rotante complessi come i convertiplani rappresenta una sfida per ingegneri e ricercatori. Poter eseguire simulazioni aeroelastiche complete considerando l'interazione dell'aerodinamica del rotore con la dinamica strutturale della macchina è essenziale per lo sviluppo di nuove configurazioni di aeromobili. Inoltre, al fine di comprendere al meglio il comportamento del velivolo e guidare il design verso la direzione ottimale, è necessario avere una rappresentazione della fisica del campo di moto intorno all'aeromobile. Lo scopo del lavoro di ricerca presentato nella tesi è di costruire e ottenere un ambiente numerico per simulazioni aeroelastiche adatto a veicoli complessi come i convertiplani. Lo strumento mira a posizionarsi tra diverse branche già ampiamente consolidate ed esplorate dal settore della ricerca e dell'aviazione in generale, come l'aerodinamica, l'aeroelasticità, la meccanica del volo e il design. L'idea alla base è fornire un ambiente in cui diverse analisi possano essere effettuate contemporaneamente, consentendo così una comprensione completa del comportamento della macchina già nella fase di design preliminare. Per raggiungere questo obiettivo, è stato accoppiato, attraverso la libreria preCICE, un software aerodinamico a media fedeltà basato sul metodo delle particelle vorticose per la modellizzazione della scia, DUST, ad un codice di dinamica multicorpo, MBDyn. Utilizzando un modello strutturale multicorpo in combinazione con software aerodniamico a media fedeltà, il metodo permette una valutazione accurata degli effetti di interazione aerodinamica tipici dei convertiplani, mantenendo un approccio economico rispetto agli strumenti CSD/CFD tradizionali e più sofisticati. Tutto ciò è stato fatto con un'approccio open-source al fine di fornire alla comunità scientifica uno strumento accessibile e utilizzabile che possa essere sviluppato in futuro per migliorare le sue funzionalità per studi successivi. Il nuovo ambiente numerico sviluppato è stato implementato e validato confrontando i risultati ottenuti con quelli di un caso di riferimento aeroelastico classico di un'ala. I test di validazione hanno evidenziato che avere un modello più preciso dell'aerodinamica è fondamentale per replicare le prestazioni dinamiche di un'ala a basso allungamento alare e predire l'instabilità aeroelastica del flutter con dettaglio. Particolare attenzione è stata dedicata al solutore aerodinamico al fine di dimostrare le sue capacità e limitazioni nelle configurazioni tipiche dell'aerodinamica interazionale presenti nei convertiplani e nei velivoli VTOL, attraverso il confronto con dati numerici e sperimentali della letteratura. In generale, i risultati delle simulazioni DUST hanno dimostrato la capacità di ottenere un livello di precisione simile all'approccio CFD ad alta fedeltà, ma con un costo computazionale molto inferiore, entro i limiti della teoria su cui si basa il codice. Inoltre, la forza dell'approccio DUST basato sulla descrizione ed evoluzione della scia libera, ha dimostrato di essere in grado di catturare la fisica del campo di moto intorno all'aeromobile, un elemento fondamentale per la comprensione e l'indagine di diverse configurazioni nella fase preliminare. Questo risultato ha ulteriormente evidenziato il potenziale dell'approccio implementato per la progettazione e l'indagine di configurazioni di velivoli ad ala rotante. Per dimostrare la flessibilità di modellizzazione e i tipi di risultati che possono essere ottenuti, è stato costruito un modello completo aeroelastico di convertiplano. Grazie alla grande quantità di dati pubblici, è stato scelto il convertiplano XV-15 dotato di Advanced Technology Blade (ATB). Al fine di evidenziare i vantaggi di una modellizzazione più completa e realistica, sono stati utilizzati diversi modelli ibridi con diversi livelli di complessità. Globalmente, è stata raggiunta una buona correlazione con i dati della letteratura per l'intero sistema. Per mostrare la capacità del codice accoppiato di analizzare l'aeroelasticità di configurazioni di velivoli complesse, si è simulata una manovra di rollio instazionaria dell'intero convertiplano. I risultati della simulazione mostrano l'importanza di rappresentare in maniera accurata l'aerodinamica del velivolo attraverso DUST per la valutazione dei carichi, la valutazione della stabilità aeroelastica e l'analisi delle manovre transitorie di aeromobili. Questo lavoro rappresenta un significativo progresso nella comunità scientifica e industriale introducendo una nuova prospettiva sulle simulazioni accoppiate utilizzando un solutore aerodinamico a media fedeltà. I risultati di questo studio dimostrano che questo approccio può produrre risultati altamente precisi utilizzando un notevole minor sforzo computazionale rispetto agli strumenti CSD convenzionali a maggiore fedeltà. L'ambiente numerico sviluppato ha ampie applicazioni in vari rami di progetti aeronautici e oltre, come nell'energia eolica e nelle applicazioni di turbomacchine.