Dissertação

{en_GB=Aerodynamic Optimisation Of A Constrained Aerofoil’s Shape Coupled With An Optimisation Of Its Inner Structural Topology} {} APPROVED

{pt=O objetivo geral da tese consiste no acoplamento dos processos de otimização aerodinâmica e estrutural recorrendo a diferentes programas de código aberto, SU2 e Calculix, capazes de fornecer simulações robustas e eficientes nestes dois campos. A geometria usada para testar o código aberto é o perfil alar RAE 2822, caso de referência 2D para regimes aerodinâmicos viscosos transónicos, com um caixão de torção a restringir a sua forma no processo de otimização. A resistência aerodinâmica foi inicialmente minimizada para duas configurações diferentes, M = 0.729 at alpha = 2.31º e M = 0.730 at alpha = 2.79º para uma sustentação constante usando o método Free-Form Deformation. Posteriormente é utilizado uma otimização topológica "Bi-directional Evolutionary" de forma a otimizar no ambiente Calculix a estrutura interna do perfil alar previamente otimizado. De modo a aplicar o carregamento obtido na otimização aerodinâmica à estrutura para a otimizar topologicamente, foi desenvolvido um processo de transferência de carregamentos aerodinâmicos. A seguir, uma estratégia de acoplamento sequencial foi aplicada, pois a otimização aerodinâmica representou uma melhoria na distribuição geral de pressão, a qual consequentemente representou uma diminuição em duas ordens de magnitude do estado de tensão e os deslocamentos finais. Em conclusão, o acoplamento sequencial provou ser benéfico, pois a melhoria aerodinâmica permitiu que o estrutura interna se redistribuísse de forma mais eficiente, reduzindo o seu volume interno para 25% do inicial, ao mesmo tempo que proporciona uma estrutura robusta e segura. , en=The overall purpose of the work lies on the coupling of two optimisation procedures for the main fields of study, the aerodynamics and the topology layout, by means of different open-source resources, SU2 and Calculix respectively, capable to provide robust and efficient simulations in both studied fields. The RAE 2822 geometry used to test the open-source software is the 2D benchmark case for transonic viscous aerodynamic profiles, with the wing-box as a geometric constraint. The aerofoil has been initially drag-minimised for two different configurations, M = 0.729 at alpha = 2.31º and M = 0.730 at alpha = 2.79º while setting a fixed lift constraint using the Free-Form Deformation methodology; afterwards, the Bi-directional Evolutionary Topology Optimisation was applied to the optimised shape inside the Calculix environment. A migratory procedure of the obtained data was required by the topology analysis from the aerodynamic output so as to apply the pressure loads on the aerofoil's surface as concentrated loads. Then, a sequential coupling strategy was followed since the aerodynamic optimisation represented an improvement to the general pressure distribution and, subsequently, it represented a diminishing of two orders of magnitude below for the loading state and the final displacements. Conclusively, the sequential coupling has proved to be beneficial as the aerodynamic improvement allowed the inner layout to redistribute in a more efficient way, reducing its inner surface to a remarkable value of 25% from the original one, while providing a robust and structurally sound design.}
{pt=Aerodynamic Optimisation, CFD, RAE 2822, Topology Optimisation, Calculix, SU2, en=Aerodynamic Optimisation, CFD, RAE 2822, Topology Optimisation, Calculix, SU2}

Orientação

ORIENTADOR

Frederico José Prata Rente Reis Afonso

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar Convidado

ORIENTADOR

Fernando José Parracho Lau

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Associado