Multi-level Optimization of Aircraft Structure using a Physics-based Parametric Design Framework

Abstract

본 논문에서는 항공기 구조물 설계에 적용하기 위한 다중레벨 최적화 기법에 대한 연구를 수행하였다. 우선 항공기 설계 초기단계에서 사용할 수 있는 효율적인 구조설계 프레임워크를 개발하였다. 항공기 설계 초기과정에서는 다양한 후보형상에 대한 비교검토를 수행해야 하는 설계의 특성상 불가피한 설계 모델의 반복적인 생성 및 변경을 자동화하여 설계 효율을 증진시킬 수 있는 설계 도구의 필요성이 대두되었다. 따라서 항공기 설계에 특화된 설계인자를 매개변수화하여 설계자가 사용하기에 간편하면서도 신속하게 항공기 내부 구조배치까지 고려한 구조설계 모델을 생성할 수 있는 설계 프레임워크를 개발하였다. 본 연구에서 개발한 설계 프레임워크는 하중을 주로 담당하는 1차 구조물뿐만 아니라 2차 구조물까지 포함하여 실제 구조물에 가까운 구조모델을 생성하는 것이 가능하다는 장점도 가진다. 항공기 구조물처럼 복잡하고 거대한 다자유도 구조해석 문제를 효율적으로 풀기 위해서는 하나의 큰 문제를 여러 개의 작은 문제로 분할하여 계산하는 것이 유리하다고 알려져 있다. 본 논문에서는 다중레벨 최적화 기법을 적용하여 항공기 날개 구조물을 베이(Bay) 단위로 분할하여 날개 전체에 대한 구조 최적화를 수행하였다. 이 과정에서 Augmented Lagrangian Method를 사용하여 설계기준으로 적용된 다양한 구속조건들을 목적함수에 포함시킴으로써 구속조건 문제를 무구속조건 문제로 변환하여 최적화 문제를 효율적으로 계산할 수 있었다. 스킨, 스트링거, 스파, 리브의 두께를 설계변수로 설정하고, 좌굴, 크리플링, 국부적 후좌굴 등을 설계기준으로 고려하였다. 최적화 과정 중에 계산되는 응력과 유효폭은 전역 수준에서만 최신화되며, 국부 수준에서 수행되는 최적화 계산에서는 고정된 값으로 계산이 수행된다. 이 때, 적절한 물리적 가정을 도입하여 스킨의 유효폭을 스킨 두께만의 함수로 한정시킴으로써 최적화 과정 중에 발생하는 계산량을 줄이고 풀이과정을 단순화하는데 기여하였다. 본 논문에서 개발한 매개변수 모델링이 가능한 물리기반의 설계 프레임워크를 직접 사용하여 90인승 중형항공기의 날개에 대한 구조 사이징을 수행하였다. 통상 수 일이 걸리는 유한요소모델 생성시간을 매개변수 모델링 기법을 통해 수 분 수준으로 단축할 수 있었고, 다중레벨 최적화 방법을 사용하여 복잡한 구조물의 해석을 효율적으로 수행하는 동시에 물리기반 방법을 통한 중량예측이 기존의 통계적인 방법보다 정확한 중량예측이 가능함을 확인하였다. 이로써 개발된 설계 프레임워크가 실제 항공기 제작현장에서 적용될 수 있는 가능성을 제시하였다. 또한 이러한 물리기반 접근방법은 통계적인 자료가 존재하지 않는 신개념 항공기를 개발할 경우에 더욱 유용할 것으로 기대한다.

In this study, the new design framework, DIAMOND/AIRCRAFT, is developed, which is applicable to the early design phase for aircraft. The design framework using the parametric modeling technique and automated mesh generation enables efficiently processing the labor-intensive and iterative model generation or updating whenever design changes occur. It should be also highlighted that the design framework can estimate the structural weight based on a physics-based approach using the high-fidelity method. Multi-level optimization routine using augmented Lagrangian Method (ALM) is developed to efficiently perform the optimization for aircraft structure. It is widely known that multi-level approach is adequate to solving a large scale problem such as complex aerospace structure. By help of ALM, the highly nonlinear local constraints such as crippling, buckling and material strength can be processed with numerical stability. Various design criteria such as buckling, crippling, and material strength for beam and shell structures are taken into account. Considering a local post-buckling, Effective width method is also utilized in the structural design to achieve the goal of weight saving. The effective width is simplified as a function of skin thickness by the introduction of appropriate physical assumption to improve the computational efficiency. As a case study, the preliminary structural sizing of wing for 90-seat turboprop aircraft is performed. With the parametric modeling function of DIAMOND/ AIRCRAFT, elapsed time for generating FE model can be considerably reduced up to only a few minutes, while it takes several days to generate FE model of aircraft with a conventional FE modeler. Based on the more realistic model, the weight estimation from the physics-based method makes a good agreement with the reference weight more accurately. It is expected that the value of physics-based design framework will stand out when an unconventional advanced aircraft with no empirical weight data is developed rather than a conventional tube-and-wing aircraft.