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High-Fidelity wing design Exploration with Gradient-Based optimization

High-Fidelity Wing Design Exploration with Gradient-Based Op...

引用

作者： Bons, Nicolas University of Michigan

学位级别：博士

Numerical optimization has been applied to wing design problems for over 40 years. Over the decades, the scope and detail of optimization problems have advanced considerably. At the present time, the state-of-the-art in wing design optimization incorporates high-fidelity modeling of the steady-state aeroelastic response of the wing at both on-design and off-design operating conditions. Reynolds-averaged solutions of the Navier–Stokes equations coupled with linear finite element anal- ysis offer the highest fidelity modeling currently tenable in an optimization con- text. However, the complexity of implementing and cost of executing high-fidelity aerostructural optimization have limited the extent of research on the topic. The goal of this dissertation is to examine the general application of these tools to wing design problems and highlight several factors pertaining to their usefulness and versatility. Two types of wing design problems are considered in this dissertation: refin- ing and exploratory. Refining problems are more common in practice, especially for high-fidelity optimization, because they start from a good design and make small changes to improve it. Exploratory problems are intended to have liberal parametrizations predisposed to have significant differences between the original and final designs. The investigation of exploratory problems yields novel findings regarding multimodality in the design space and robustness of the framework. Multimodality in the design space can impact the usefulness and versatility of gradient-based optimization in wing design. Both aerodynamic and aerostructural wing design problems are shown to be amenable to gradient-based optimization despite the existence of multimodality in some cases. For example, a rectangular wing with constant cross-section is successfully converted, through gradient-based optimization, into a swept-back wing with transonic airfoils and a minimum-mass structure. These studies introduce new insight

关键词： multidisciplinary design optimization aerostructural optimization wing design optimization multimodality in wing design practical wing design optimization Aerospace Engineering Engineering

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