Techniques de calcul de gradient aéro-structure haute-fidélité pour l'optimisation de voilures flexibles

High-fidelity aerostructural gradient computation techniques for flexible wing optimization

• Auteur / Autrice : Timothée Achard
• Direction : Roger Ohayon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil. Mécanique
• Date : Soutenance le 08/12/2017
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des structures et des systèmes couplés (Paris) - DAAA- ONERA- Université Paris-Saclay / DAAA, ONERA, Université Paris-Saclay (F-92322 Châtillon - France)
• Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche : Office national d'études et de recherches aérospatiales (Châtillon, France ; 1946-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Duysinx
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Camille Chassaing, Christophe Blondeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Antoine Désidéri, Joseph Morlier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique

Construction

Ailes

Avions

Optimisation mathématique

Aéroélasticité

Simulation par ordinateur

Calcul infinitésimal

Mots clés libres

Optimisation multidisciplinaire

Aéroélasticité

Méthode adjointe

Multidisciplinary Design Optimization

Aeroelasticity

Adjoint method

Résumé

L'optimisation multidisciplinaire (MDO) à base de gradients est efficace et très utilisée pour le dimensionnement structural d'ailes flexibles. Cependant, dans le contexte de simulations numériques haute-fidélité, le calcul efficace des gradients reste un défi majeur. L'objectif de ce travail est d'étudier les approches les mieux adaptées aux spécificités du calcul de sensibilité des efforts aéroélastiques par rapport à des paramètres structuraux.Deux techniques de calcul de gradient haute-fidélité adaptées aux systèmes aéroélastiques fortement couplés sont proposées. La technique la plus intrusive repose sur les formulations directe et adjointe qui nécessitent un effort d'implémentation logicielle substantiel. Alternativement, nous proposons une approche découplée et non-intrusive, moins lourde à implémenter et cependant capable de fournir une approximation précise des gradients. Ces deux techniques ont été intégrées dans le logiciel CFD elsA de l'Onera.La précision, l'efficience et l'applicabilité de ces méthodes sont démontrées sur le cas-test avion de transport civil Common Research Model (CRM). Nous résolvons un problème inverse dont l'objectif est de retrouver, en conditions de vol de croisière, une loi cible de vrillage voilure. Ces deux méthodes s'avèrent comparables en matière de précision et de coût. Elles offrent ainsi une souplesse supplémentaire de mise en œuvre en fonction du niveau d'intégration recherché dans le processus MDO.

To improve the structural design of flexible wings, gradient based Multidisciplinary Design Optimization (MDO) techniques are effective and widely used. However, gradients calculation is not trivial and can be costly when high-fidelity models are considered. Our objective is to study different suitable approaches to compute gradients of aeroelastic loads with respect to structural design parameters.To this end, two high-fidelity aero-structure gradient computation techniques for strongly coupled aeroelastic systems are proposed. The most intrusive technique includes the well-established direct and adjoint formulations that require substantial implementation effort. In contrast, we propose an alternative uncoupled non-intrusive approach easier to implement and yet capable of providing accurate gradients approximations. Both techniques have been implemented in the Onera elsA CFD software.Accuracy, efficiency and applicability of these methods are demonstrated on the civil transport aircraft Common Research Model (CRM) test-case. More specifically, an inverse design problem is set up with the objective of matching an in-flight target twist law distribution. These two methods prove to be comparable in terms of accuracy and cost. Thus they offer additional operational flexibility depending on the level of integration sought in the MDO process.