Automated structural design optimization of advanced rotor blades

This thesis is part of the ThesisLab project, a cooperative thesis environment between Politecnico di Milano and Leonardo Helicopters Division, working on a concepts study of an Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA). Traditionally, rotor blade design has been approached through interactions between departments, such as Aeroelasticity and Rotor Design, each constrained by specific objectives. This thesis presents an innovative methodology for the preliminary design of rotor blades that integrates aeroelastic and structural requirements with manufacturing constraints. The objective is to develop an automated tool and methodology capable of generating a preliminary blade design based on predefined target parameters; in this study, the primary targets are assigned as stiffness parameters (chordwise, flapwise, and torsional). Two optimization loops are implemented to obtain the desired design. In the internal optimization cycle, a parametric and generic blade model is created and used alongside the finite element mesh generator GMSH and the structural characterization software for anisotropic beam, ANBA4. This model is subsequently employed within a genetic optimization process (PyGAD) to identify solutions that yield a manufacturable rotor blade while meeting the specified targets. Additional constraints are incorporated into the design process, including verifying axial strength, assessing the section load-carrying capacity under centrifugal force and checks for the positioning of shear and mass centers. The methodology has proven effective in providing a preliminary design with minimal errors with respect to the targets for the required blade sections, demonstrating the capability to retrieve the correct positions of key points, i.e., shear and mass centers. The resulting design is then analyzed to verify its aeroelastic compliance through CAMRAD II. This analysis forms the outer optimization loop, which serves the purpose of verifying the presented model and suggesting modifications to the internal cycle parameters, targets, and constraints based on aeroelastic considerations.

Questa tesi si configura nel più ampio progetto ThesisLab, una collaborazione tra il Politecnico di Milano e la Divisione Leonardo Helicopters, impegnata in uno studio concettuale del velivolo avanzato a decollo e atterraggio verticale ATA. Tradizionalmente, la progettazione delle pale di rotore è affrontata da diversi dipartimenti, ad esempio il Dipartimento di Aeroelasticità e di Rotori, ciascuno vincolato da obiettivi specifici. La presente tesi propone una metodologia innovativa per la progettazione preliminare di pale di rotore che integra i requisiti aeroelastici e strutturali con i vincoli di produzione. L’obiettivo è sviluppare uno strumento automatizzato e una metodologia in grado di generare un design preliminare basato su requisiti target predefiniti, come rigidezza in corda, in flap e torsionale; a tal fine, si implementano due cicli di ottimizzazione interdipendenti volti a ottenere il design richiesto. Nel ciclo di ottimizzazione interno viene creato e utilizzato un modello parametrico 2D di sezione di pala unito a un generatore mesh a elementi finiti, GMSH. Viene inoltre inserito nel processo di design il software ANBA4 per la caratterizzazione strutturale di modelli a trave anisotropi. Successivamente, il modello così definito viene impiegato all’interno di un processo di ottimizzazione genetica (PyGAD) con l’obiettivo di generare soluzioni di design realizzabili e che soddisfino i target specificati. Altri vincoli sono integrati nel processo di ottimizzazione, tra cui la verifica della resistenza ai carichi assiali dovuti alla forza centrifuga e controlli sulla posizione dei centri di taglio e di massa. La metodologia si è dimostrata valida nel fornire un design preliminare con errori minimi sui target per le sezioni della pala in esame, dimostrando inoltre la capacità di fornire posizioni correttamente approssimate di centri di taglio e di massa. Il design risultante viene quindi analizzato per verificare la conformità aeroelastica tramite CAMRAD II. Questa analisi costituisce il ciclo di ottimizzazione esterno, che ha lo scopo di verificare il modello di pala presentato e di suggerire modifiche su parametri, target e vincoli del ciclo interno, basandosi su considerazioni aeroelastiche. Il design risultante viene quindi analizzato per verificare la conformità aeroelastica tramite CAMRAD II. Questa analisi costituisce il ciclo di ottimizzazione esterno, che ha lo scopo di verificare il modello di pala presentato e di suggerire modifiche su parametri, target e vincoli del ciclo interno, basandosi su considerazioni aeroelastiche.