Comparison of Low and High-Fidelity models in structural optimization of Strut-Braced wings

Abstract

[ES] The aim of this work is to study the applicability of a Low-Fidelity (LF) structural model for analyzing a given Strut-Braced Wing (SBW) configuration within an optimization environment. To accomplish this goal, the behavior of the structure when subjected to two aerodynamic loads, cruise and pull-up, is firstly compared with a High-Fidelity (HF) model, and then a match between both models is sought. Two optimization problems, one unconstrained and another constrained, set to match the deformed shape of the LF model in the HF one for cruise conditions by changing the thickness distribution, are defined and solved. An additional constrained problem that allows changing the twist distribution is defined as well. Mass and stress for pull-up maneuver conditions are set as constraints for the two constrained problems. A feasible solution in terms of stress is only found when the twist distribution is set as a design variable. However, when analyzing the deformation, the optimized HF model is observed to have differences relative to the LF model higher than 10%. Even though the LF model is computationally advantageous, it underestimated both stress and deformation when compared to the HF model. Therefore, the LF model should only be used to provide general trends at a preliminary design phase of a SBW structure. For a more advanced design stage the HF model should be employed.

[EN] El objetivo de este trabajo es estudiar la aplicabilidad de un modelo estructural de baja fidelidad para analizar una configuración de ala reforzada con puntal (SBW) en un entorno de optimización. Para lograr este objetivo, el comportamiento de la estructura cuando se somete a dos cargas aerodinámicas, crucero y maniobra, se compara en primer lugar con un modelo de alta fidelidad, y luego se busca una coincidencia entre ambos modelos. Se definen y resuelven dos problemas de optimización, uno sin restricciones y otro con restricciones, configurados para que coincidan con la forma deformada del modelo de baja fidelidad en el modelo de alta fidelidad para condiciones de crucero cambiando la distribución del espesor. También se define un problema restringido adicional que permite cambiar la distribución de torsión del ala. La masa y la tensión en condiciones de maniobra se establecen como restricciones para los dos problemas restringidos. Una solución factible en términos de tensión solo se encuentra cuando la distribución de torsión se establece como una variable de diseño. Sin embargo, al analizar la deformación, se observa que el modelo de alta fidelidad optimizado tiene diferencias con respecto al modelo de baja fidelidad superiores al 10%. Aunque el modelo de baja fidelidad es computacionalmente ventajoso, subestimó tanto la tensión como la deformación en comparación con el modelo de alta fidelidad. Por lo tanto, el modelo de baja fidelidad solo debe usarse para obtener tendencias generales en una fase de diseño preliminar de una estructura SBW. Para una etapa de diseño más avanzada, debe emplearse el modelo de alta fidelidad.