[論文レビュー] Aerostructural Wing Shape Optimization assisted by Algorithmic Differentiation

Rocco Bombardieri, Rauno Cavallaro+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2020

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 72被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、連成空力・構造問題における正確な離散勾配を可能にするため、自動微分（AD）を用いたモジュラーで高精度な空力構造的翼形状最適化フレームワークを提示する。SU2（CFD）とカスタム非線形ビームFEMソルバをCodiPackを介してADで統合することで、空力的変形を考慮した翼外型ラインの正確な最適化が達成され、構造的柔軟性を無視すると飛行形状での性能が劣化することを示した。これは、効率的な設計のためには完全な空力構造連成が必要であることを強調している。

ABSTRACT

With more efficient structures, last trends in aeronautics have witnessed an increased flexibility of wings, calling for adequate design and optimization approaches. To correctly model the coupled physics, aerostructural optimization has progressively become more important, being nowadays performed also considering higher-fidelity discipline methods, i.e., CFD for aerodynamics and FEM for structures. In this paper a methodology for high-fidelity gradient-based aerostructural optimization of wings, including aerodynamic and structural nonlinearities, is presented. The main key feature of the method is its modularity: each discipline solver, independently employing algorithmic differentiation for the evaluation of adjoint-based sensitivities, is interfaced at high-level by means of a wrapper to both solve the aerostructural primal problem and evaluate exact discrete gradients of the coupled problem. The implemented capability, ad-hoc created to demonstrate the methodology, and freely available within the open-source SU2 multiphysics suite, is applied to perform aerostructural optimization of aeroelastic test cases based on the ONERA M6 and NASA CRM wings. Single-point optimizations, employing Euler or RANS flow models, are carried out to find wing optimal outer mold line in terms of aerodynamic efficiency. Results remark the importance of taking into account the aerostructural coupling when performing wing shape optimization.

研究の動機と目的

• 柔軟な翼の連成物理を正確に捉えることのできるモジュラーで高精度な空力構造的最適化フレームワークの開発。
• 空力および構造ソルバの両方で、独立して正確な離散感度計算を可能にする自動微分による実装。
• EulerおよびRANS-SA流れモデルを用いた実際のテストケースにおけるフレームワークの有効性の検証。
• 空力的変形を考慮しない最適化によって生じる性能劣化の定量的評価。
• 産業界および学術分野での利用を想定し、SU2スイート内でのオープンソースかつ拡張可能なツールの提供。

提案手法

• フレームワークは、空力（SU2 CFD）と構造（カスタムビームFEM）の独立したソルバを用いた分割（ステージング）解法スキームを採用。
• CodiPackライブラリを介して、構造的FEMソルバに自動微分をネイティブに統合し、正確な離散アドジョイント感度を計算。
• 高レベルのラッパーインターフェースにより、空力および構造ソルバ間での荷重および変位のシームレスなデータ転送を実現。
• 高精度な空力モデリングのため、EulerおよびRANS-SA乱流モデルをサポート。
• 設計変数は翼の外型ライン上に定義され、正確な勾配をADから得る勾配ベースの最適化が実行可能。
• フレームワークはSU2マルチフィジックススイート内にオープンソースとして実装され、GitHubでテストケースを提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空力的形状最適化の過程で空力的変形を無視した場合、実際の飛行形状における性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 自動微分を用いることで、空力構造的最適化における感度計算の正確性と効率性はどのように向上するか？
• RQ3 高精度CFDと非線形FEMを組み合わせたモジュラーでオープンソースのフレームワークは、正確な勾配を有する安定した空力構造的最適化を可能にするか？
• RQ4 構造的非線形性を組み込むことで、最適な翼形状および空力的効率にどのような影響が生じるか？
• RQ5 RANS-SA乱流モデルを用いた空力構造的最適化によって、どの程度の抗力低減が達成可能か？

主な発見

• 空力的変形を考慮しない最適化では、実際の飛行形状での性能が劣化し、一部のケースではベースラインより悪化した抗力特性を示した。
• QCRM翼では、RANS-SAに基づく空力構造的最適化により、明確な抗力係数の低減が達成され、高精度な流れモデリングの価値を示した。
• 空力的変形を考慮した状態で評価した場合、ASWSO（空力構造的翼形状最適化）はAWSO（空力的翼形状最適化）を常に上回る空力的効率を達成した。
• フレームワークは構造的応答における幾何的非線形性を正確に捉え、変形を考慮した場合に最適設計に顕著な影響を与えた。
• 自動微分の使用により、近似誤差のない正確な離散勾配が得られ、勾配ベース最適化の信頼性高い収束を支援した。
• SU2内でのフレームワークのオープンソースリリースにより、コミュニティによる拡張および再利用が容易になり、統合コストを最小限に抑えることが可能になった。