Rotorcraft driveline optimization

Minimizing the mass of an aircraft's drive line is of paramount importance in increasing the total load that the aircraft can carry. The selection of transmission line optimization variables was carried out through a sensitivity analysis to identify correlations between the variables examined and the functions defining the constraints and the optimization objective. The analysis revealed that the most significant variables in the search for the minimum mass solution include the diameters and thickness of the transmission shafts, the number and location of intermediate supports in the transmission line, and the material used for the line itself. In this thesis, two optimization algorithms based on local minimum search algorithms with discrete variable handling in an iterative manner were proposed and analyzed to reduce the time required to find the optimal solution to the problem. The fundamental difference between these two algorithms lies in the simplifying assumptions on which they are based, since it was necessary to develop an algorithm capable of optimizing the mass of multiple transmission lines efficiently and quickly. Both algorithms consider the total mass of the transmission line as an objective function, however, the former uses, with appropriate simplifications, the analytical formula for calculating the eigenfrequencies derived from the beam model, developed by Euler-Bernoulli, while the latter uses a finite element model based on the beam theory, developed by Timoshenko, for calculating the eigenfrequencies of the entire line. The second algorithm allows a broader search for the optimal configuration for the transmission line, as it allows the section of the transmission shafts and the position of the intermediate supports of the line to be changed separately.

La minimizzazione della massa della linea di trasmissione di un velivolo riveste un'importanza fondamentale per incrementare il carico totale che il velivolo stesso è in grado di trasportare. La selezione delle variabili di ottimizzazione della linea di trasmissione è stata effettuata mediante un'analisi di sensitività, al fine di identificare le correlazioni tra le variabili esaminate e le funzioni che definiscono i vincoli e l'obiettivo dell'ottimizzazione. L'analisi ha rivelato che le variabili più significative nella ricerca della soluzione di minima massa includono i diametri e lo spessore degli alberi di trasmissione, il numero e la posizione dei supporti intermedi nella linea di trasmissione, e il materiale utilizzato per la linea stessa. In questa tesi, sono stati proposti e analizzati due algoritmi di ottimizzazione basati su algoritmi di ricerca del minimo locale con gestione delle variabili discrete in maniera iterativa, al fine di ridurre i tempi necessari per trovare la soluzione ottimale del problema. La differenza fondamentale tra questi due algoritmi risiede nelle assunzioni semplificative su cui si basano, poiché era necessario sviluppare un algoritmo in grado di ottimizzare la massa di molteplici linee di trasmissione in modo efficiente e rapido. Entrambi gli algoritmi considerano la massa totale della linea di trasmissione come funzione obiettivo, tuttavia il primo sfrutta, con opportune semplificazioni, la formula analitica per il calcolo delle frequenze proprie derivante dal modello di trave, sviluppato da Eulero-Bernoulli, mentre il secondo utilizza un modello agli elementi finiti basato sulla teoria della trave, sviluppata da Timoshenko, per il calcolo delle frequenze proprie dell'intera linea. Il secondo algoritmo consente una ricerca più ampia della configurazione ottimale per la linea di trasmissione, in quanto permette di modificare separatamente la sezione degli alberi di trasmissione e la posizione dei supporti intermedi della linea stessa.