ATA rotor aeroelastic design and optimization

This thesis takes part of Thesis Lab project, a cooperative project between Leonardo Helicopters Division and Politecnico di Milano for the concept design of Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA). In this framework, this work combines an automated tool for blade characterization with an outer multidisciplinary optimization algorithm to create a multilevel aeroelastic optimization framework, able to enhance vibration and weight reduction as well as aeroelastic stabilization and structural integrity. The rotor aeroelastic and vibration analyses are performed through CAMRAD-II, a comprehensive software for rotor aerodynamic and dynamic analyses. The nature of these mid-fidelity analyses brings together advanced models for geometry, structure, dynamics and aerodynamics, making the process computationally expensive. To address this, parallel evaluations and powerful computation of multiple candidate designs through Leonardo's DaVinci-1 HPC allows the workload to be distributed over multiple processors, reducing the overall runtime. Traditional gradient-based optimization methods are not ideal for aeroelastic problem, since the underlying problem exhibits highly non-linear phenomena, multiple local minima solutions and complex constraints. This thesis proposes a surrogate-based approach, which minimize the number of expensive simulations while supporting a more global and efficient search over the design space. Finally, load assessment and manufacturability verifications are performed on the optimized blade configuration to assess its structural performance and practical feasibility.

La presente tesi si inserisce nel progetto Thesis Lab, una collaborazione tra la Leonardo Helicopters Division ed il Politecnico di Milano, finalizzata alla progettazione concettuale del velivolo avanzato a decollo e atterraggio verticale ATA. In questo contesto, il lavoro combina uno strumento automatizzato per la caratterizzazione della pala con un algoritmo di ottimizzazione multidisciplinare esterno, al fine di sviluppare un framework di ottimizzazione aeroelastica multilivello volto alla riduzione delle vibrazioni e del peso, garantendo al contempo la stabilità aeroelastica e l’integrità strutturale. Le analisi aeroelastiche e vibrazionali del rotore sono state condotte mediante CAMRAD-II, un software avanzato per l’analisi aerodinamica e dinamica dei rotori. La natura di mid-fidelity di tali analisi integra modelli complessi di geometria, struttura, dinamica e aerodinamica, rendendo il processo computazionalmente oneroso. Il codice di ottimizzazione è stato eseguito all'interno del cluster DaVinci-1 di Leonardo, consentendo di distribuire il carico di lavoro su più processori utilizzando tecniche di calcolo ad alte prestazioni (HPC) e valutazioni parallele, riducendo così i tempi di calcolo complessivi. I metodi di ottimizzazione tradizionali basati su gradiente non risultano ideali per problemi aeroelastici, poiché questi ultimi presentano fenomeni fortemente non lineari, molteplici minimi locali e vincoli complessi. Per questo motivo, la tesi propone un approccio basato su modelli surrogati, in grado di ridurre il numero di valutazioni e di supportare una ricerca più globale ed efficiente nello spazio delle soluzioni. Infine, sulla pala ottimizzata sono state eseguite analisi di carico e verifiche di producibilità, al fine di confermarne le prestazioni strutturali e la fattibilità produttiva.