Computational aeroservoelasticity of free-flying deformable aircraft

The reduced weight and improved efficiency of modern, highly flexible, aeronautical structures (as a consequence of multidisciplinary optimization procedures and the extensive use of composite materials) result in a smaller and smaller separation of rigid and elastic modes frequency ranges. Therefore the availability of an integrated environment for tackling both static (stability derivatives correction, control surfaces efficiency, non-linear trim of maneuvering flexible aircraft) and/or dynamic (flutter, gust and turbulence response, active control systems design) aeroservoelastic problems is almost mandatory from the very beginning of the design process. Together with the availability of more and more powerful computing resources, current trends pursue the adoption of high-fidelity tools and state-of-the-art technology within the very active and fruitful research fields of Computational Structural Dynamics (CSD), Multibody System Dynamics (MSD) and Computational Fluid Dynamics (CFD). This choice is somehow obliged when dealing with non-linear aeroservoelastic phenomena, such as transonic flutter, aileron buzz and buffeting. The objective of the present work is to illustrate the design and implementation of a platform for solving multidisciplinary non-linear Fluid-Structure Interaction (FSI) problems with a partitioned approach, that is coupling high-fidelity state-of-the-art CSD/MSD and CFD tools by means of a robust, flexible aeroelastic interface scheme. We deal with mesh deformation by means of a novel hierarchical strategy particularly suited for the aeroservoelastic simulation of free flying aircraft. A significant challenge consists in demonstrating that such a platform can be assembled using free software. The credibility of the proposed aeroservoelastic analysis toolbox is assessed by tackling a set of realistic static and dynamic problems such as the non-linear trim of the HiReNASD wing (selected for the 1-st AIAA Aeroelastic Prediction Workshop), the non-linear trim of a free-flying deformable A320 aircraft (investigating different design concepts of innovative wing tip devices), the evaluation of the transonic flutter boundary for the AGARD 445.6 wing and the design and verification of an active control system for flutter suppression for the BACT wing. The results are compared with reference experimental and numerical data available in literature.

La diminuzione del peso e l'incremento dell'efficienza delle strutture aeronautiche moderne caratterizzate da una flessibilità elevata (in conseguenza delle tecniche di ottimizzazione multidisciplinare e del sempre maggiore utilizzo di materiali compositi) comportano una sempre minore separazione in frequenza tra i modi rigidi ed elastici del velivolo. Di conseguenza la disponibilità di un ambiente integrato per affrontare problemi di aeroservoelasticità statica (correzione delle derivate di stabilità, efficienza delle superfici di controllo, trim di un velivolo deformabile in manovra) e/o dinamica (flutter, risposta a raffica e turbolenza, progetto e verifica di sistemi di controllo attivo) è fondamentale sin dalle prime fasi di progetto. Grazie alla disponibilità di risorse di calcolo sermpre più potenti, la tendenza attuale è quella di adottare modelli matematici e metodi numerici sempre più sofisticati e ad alta fedeltà appartenenti alla Computational Structural Dynamics (CSD) e/o Multibody System Dynamics (MSD) per il sotto-sistema strutturale ed alla Computational Fluid Dynamics (CFD) per il sotto-sistema aerodinamico. Tale scelta è obbligata per affrontare problemi aeroservoelastici non-lineari quali flutter transonico, aileron buzz e buffeting. L'obiettivo di questo lavoro consiste nell'illustrare il progetto e l'implementazione di una piattaforma per risolvere problemi di Fluid-Structure Interaction (FSI) secondo un approccio partizionato, accoppiando strumenti allo stato dell'arte CSD/MSD e CFD mediante un opportuno schema di interfaccia aeroelastica flessibile e robusto. Il problema di deformazione della griglia di calcolo è risolto grazie ad un'innovativa strategia gerarchica particolarmente adatta per applicazioni aeronautiche. Una sfida impegnativa consiste nel dimostrare che tale obiettivo può essere raggiunto utilizzando esclusivamente software libero. Tale toolbox di analisi aeroservoelastica è messo alla prova affrontando una serie di problemi realistici statici e dinamici quali il trim non lineare dell'ala HiReNASD, il trim non lineare del velivolo A320 in manovra, il calcolo del flutter transonico dell'ala AGARD 445.6 e il progetto e la verifica di un sistema di controllo attivo per la soppressione del flutter per l'ala BACT. I risultati sono confrontati con dati sperimentali e numerici di riferimento disponibili in letteratura.