Advanced aeroelastic simulations : fluid structure dynamic coupling, control surface forced motion and gust

Gust loads are critical in the wing design and analysis of large flexible aircraft. A control system can be used to reduce the dynamic response to gusts, reducing critical design loads and improving the ride comfort. Different control surfaces are normally used for gust alleviation on an elastic aircraft: ailerons, elevator, spoilers. The correct prediction of handling qualities and hinge moments induced by the deployment of wing control surfaces is a crucial point, in the general aircraft sizing process, for the design of increasingly more efficient aircraft. Linear structural and aerodynamic tools are widely used by the aircraft industry for the study of static and dynamic aeroelastic problems. However, the influence of non-linearities on modern aircraft is becoming increasingly important, and the need for more accurate predictive tools is growing. Sophisticated Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers are in particular required in the transonic regime, when highly non-linear effects such as shock waves and separated flows can be part of the flow field. The (Unsteady) Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS/URANS) CFD solvers that are nowadays widely used in the aeronautical industry are so accurate that taking into account multi-physics effects, such as aircraft flexibility, has become a necessity for going on increasing the accuracy of aero- dynamics computations. In this Thesis, a new technique for including control surface forced motions and travelling gusts in dynamic aeroelastic simulations is presented. The fluid-structure coupling is achieved by a dynamic coupling method, and the modal approach is used for the structure dynamics equations. Some results concerning different Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Mechanics (CFD/CSM) simulations, including gusts and aileron deflection forced motions, on the Airbus A350-900 complete aircraft configuration are presented and discussed.

I carichi di raffica sono fondamentali per la progettazione e l’analisi delle ali dei grandi velivoli commerciali. Un sistema di controllo puó essere utilizzato per ridurre la risposta dinamica alle raffiche, per ridurre i carichi di progetto critici e per migliorare il comfort dei passaggeri. Diverse superfici di controllo sono normalmente utilizzate per la riduzione delle deformazioni dovute alle raffiche: alettoni, equilibratore, spoilers. La corretta predizione delle qualitá di volo e dei momenti di cerniera indotti dalla deflessione delle superfici di controllo é un punto cruciale, nel processo generale di dimensionamento degli aeromobili, per la progettazione di velivoli sempre piú efficienti. Metodi lineari, strutturali e aerodinamici, sono ampiamente utilizzati nell’industria aeronautica per lo studio dei problemi aeroelastici statici e dinamici. Tuttavia, l’influenza delle non linearitá sui velivoli moderni é considerata sempre piú importante, e la necessitá di lavorare con strumenti di analisi e di progettazione piú accurati é in forte crescita. Sofisticati risolutori CFD (Computational Fluid Dynamics) sono in particolare utilizzati in regime di volo transonico, quando importanti effetti non lineari come onde d’urto e flussi separati possono essere parte del campo di moto. I risolutori CFD che sfruttano le formulazioni RANS/URANS ((Unsteady) Reynolds Averaged Navier Stokes) sono oggi ampiamente utilizzati nel settore aeronautico e sono ormai ritenuti abbastanza accurati. Tenere in conto i fenomeni multidisciplinari quali l’aeroelasticitá e le interazioni con le superfici di controllo, é ormai considerato necessario al fine di aumentare la precisione delle analisi e migliorare l’affidabilitá dei calcoli aerodinamici. In questa Tesi presentiamo una nuova tecnica che permette di includere movimenti comandati delle superfici di controllo e condizioni di raffica direttamente nelle simulazioni aeroelastiche dinamiche. L’accoppiamento fluido-struttura é ottenuto mediante un metodo dinamico e per le equazioni strutturali é utilizzato l’approccio modale. Vengono inoltre presentati e discussi alcuni risultati relativi a diverse simulazioni CFD/CSM (Computational Fluid Dynamics / Computational Fluid Mechanics), con raffiche e deflessioni comandate degli alettoni, sulla configurazione velivolo completo del nuovo Airbus A350-900.