Dissertação

{pt_PT=Efficient Aerodynamic Optimization of Aircraft Wings} {} EVALUATED

{pt=A integração disciplinar é um dos fatores-chave mais importantes para design eficiente. Multidisciplinary Design and Optimization é uma técnica promissora para o efeito, uma vez que combina análises multidisciplinares com otimização baseada em métodos de gradiente. Assim, esta técnica requer a avaliação das derivadas das funções de interesse em relação às variáveis de projeto, tarefa essa a mais pesada computacionalmente durante o processo de otimização. Tradicionalmente, o cálculo destas é impreciso e pouco eficiente, uma vez que se recorrem a métodos aproximados. Desta forma, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma ferramenta de otimização eficiente com o propósito de resolver problemas de design aerodinâmico com recurso a informação do gradiente exata. Primeiro, é feito um levantamento dos vários métodos de análise de sensibilidade e assim entender as suas características. De seguida, um modelo aerodinâmico baseado no método do painel é adaptado em cinco módulos, na qual os respetivos módulos de análise de sensibilidade são construídos recorrendo a: diferenciação automática, diferenciação simbólica e método adjunto. Tanto o modelo como a respetiva análise de sensibilidade são verificados com uma ferramenta de design de asas e com o método das diferenças finitas, respetivamente. Um estudo paramétrico é também conduzido para uma asa de referência, analisando assim o impacto das variáveis de projeto nos coeficientes aerodinâmicos. Por último, problemas de design aerodinâmico são resolvidos com sucesso recorrendo à nova ferramenta pois, quando comparado ao uso do método das diferenças finitas, o tempo de otimização poderá ser reduzido em 90%., en=One of the most important keys to the successful design of complex systems is disciplinary integration. Multidisciplinary Design and Optimization is now a promising methodology for the efficient design of such systems, since it combines multidisciplinary analysis with gradient-based optimization techniques. Therefore, this methodology requires the derivatives evaluation of the functions of interest with respect to the design variables, which is the most demanding computational task in the optimization process. Traditionally, those derivatives are calculated inefficiently and inaccurately using approximate methods. Therefore, the objective of this work is to develop an efficient optimization framework to solve aerodynamic design problems using exact gradient information. Firstly, a survey on sensitivity analysis methods is conducted to identify which tools are available and understand their respective merits. Secondly, an aerodynamic model based on the panel method is reformulated into five smaller modules, in which the respective sensitivity analysis blocks are constructed using exact gradient estimation methods: automatic differentiation, symbolic differentiation and the adjoint method. Both the aerodynamic tool and respective sensitivity analysis are validated using a wing design tool and the finite-differences method, respectively. Subsequently, a parametric study is also presented for a baseline wing configuration to survey the impacts of changing the wing's design variables on the aerodynamic coefficients and therefore, to understand the wing's aerodynamic behavior. Finally, aerodynamic optimization problems are solved using the new tool with remarkable success since, when compared to the finite-differences method, the optimization time can be reduced by 90%.}
{pt=métodos do gradiente, design aerodinâmico, análise de sensibilidade, método do painel, diferenciação automática, método adjunto, en=gradient-based optimization, aerodynamic design, sensitivity analysis, panel method, automatic differentiation, adjoint method}

Abril 6, 2018, 15:30

Publicação

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Orientação

ORIENTADOR

André Calado Marta

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar