[논문 리뷰] Aerostructural Wing Shape Optimization assisted by Algorithmic Differentiation

Rocco Bombardieri, Rauno Cavallaro외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 26.

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics참고 문헌 72인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 알고리즘 미분(AD)을 사용하여 결합된 항공역학 및 구조 문제에서 정확한 이산 기울기를 가능하게 하는 모듈러하고 고정밀도의 항공역학-구조 날개 형상 최적화 프레임워크를 제시한다. SU2(CFD)와 CodiPack를 통한 AD 통합을 통해 고유한 비선형 빔 유한요소법(FEM) 해석기와 통합된 이 방법은 항공탄성변형을 고려한 날개 외형선 최적화를 정확하게 수행하며, 실제 비행 형상에서 구조 유연성을 忽略할 경우 성능이 열 劣화됨을 입증한다. 이는 효율적인 설계를 위해 전체 항공역학-구조 결합이 필수적임을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 탄성 날개의 결합된 물리적 거동을 정확히 포착하는 모듈러하고 고정밀도의 항공역학-구조 최적화 프레임워크 개발
• 항공역학 및 구조 해석기에서 독립적으로 알고리즘 미분을 통해 정확한 이산 민감도 계산을 가능하게 하기
• 유진(Euler) 및 RANS-SA 흐름 모델을 사용한 실제 사례에 대한 프레임워크의 능력 입증
• 항공탄성변형을 고려하지 않은 채로 날개 최적화를 수행할 경우 성능 저하 정도 정량화
• 산업 및 학술 분야에서의 사용을 위해 SU2 스위트 내에서 개방소스로 제공되고 확장 가능한 도구 제공

제안 방법

• 결합된 항공역학-구조 문제를 해결하기 위해 분할(스태그러드) 해법 기반의 해법 체계를 사용하며, 항공역학(_SU2 CFD_)과 구조(고유의 빔 FEM)에 대해 별도의 해석기 활용
• CodiPack 라이브러리를 통해 구조 FEM 해석기에 알고리즘 미분을 내장하여 정확한 이산 인근 민감도를 계산
• 하이레벨 래퍼 인터페이스를 통해 항공역학 및 구조 해석기 간 하중 및 변형 이동을 원활하게 전달
• 고정밀도 항공역학 모델링을 위해 Euler 및 RANS-SA 난류 모델 지원
• 설계 변수는 날개의 외형선에 정의되며, 정확한 기울기(AD에서 유도)를 사용한 기울기 기반 최적화 수행
• 프레임워크는 SU2 다물리스 스위트 내에서 개방소스 소프트웨어로 구현되었으며, GitHub에 테스트 케이스 제공

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항공탄성변형을 고려하지 않은 항공역학 형상 최적화가 실제 비행 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 알고리즘 미분의 사용이 항공역학-구조 최적화에서 민감도 계산의 정확성과 효율성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 고정밀도 CFD와 비선형 FEM을 결합한 모듈러하고 개방소스의 프레임워크가 정확한 기울기를 제공하는 견고한 항공역학-구조 최적화를 가능하게 하는가?
• RQ4 구조 비선형성의 포함 여부가 최적의 날개 형상과 항공역학 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 RANS-SA 난류 모델링을 사용한 항공역학-구조 최적화를 통해 얻을 수 있는 항력 감소 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 항공탄성변형을 고려하지 않은 날개 최적화는 실제 비행 형상에서 열 劣화된 성능을 초래하며, 일부 사례에서는 기준 대비 악화된 항력 특성을 보였다.
• QCRM 날개의 경우, RANS-SA 기반 항공역학-구조 최적화가 항력 계수의 유의미한 감소를 달성하여 고정밀 유동 모델링의 가치를 입증하였다.
• 항공탄성 평형 상태에서 평가했을 때, ASWSO(Aerostructural Wing Shape Optimization) 방법은 AWSO(Aerodynamic Wing Shape Optimization)에 비해 항공역학 효율성이 뛰어나 일관되게 우수한 성능를 보였다.
• 프레임워크는 구조 반응에서 기하학적 비선형성을 정확히 포착하였으며, 이는 변형을 고려할 경우 최적 설계에 상당한 영향을 미쳤다.
• 알고리즘 미분의 사용은 근사 오차 없이 정확한 이산 기울기를 가능하게 하여 기울기 기반 최적화의 신뢰성 있는 수렴을 지원하였다.
• SU2 내에서 프레임워크를 개방소스로 배포함으로써 커뮤니티의 확장 및 재사용이 최소한의 통합 노력으로 가능해졌다.