Diss.ETHNo.23009 Multidisciplinary Optimization of Morphing Wings with Distributed Compliance and Smart Actuation Athesissubmittedtoattainthedegreeof DoctorofSciencesofETHZurich (Dr.sc.ETHZurich) presentedby GiulioMolinari MScinSpaceEngineering,PolitecnicodiMilano bornNovember12,1984 citizenofItaly acceptedontherecommendationof Prof.Dr.PaoloErmanni,examiner Prof.Dr.GeorgeLesieutre,co-examiner Prof.Dr.PatrickJenny,co-examiner Prof.Dr.AndresF.Arrieta,co-examiner 2016 ©2016 GiulioMolinari Allrightsreserved ABSTRACT Throughout their missions, airplanes are subjected to a variety of flight conditions. As their wings must satisfy various requirements, theirdesignisoftenacompromise,thereforeresultinginsub-optimal performanceinsomeoperatingpoints.Acertaindegreeofadaptivityis commonlyachievedthroughvariationsofthewingsgeometry,relying onthedisplacementofdiscretemoveablecomponents. Forthispurpose,conformalshapeadaptationofairplanewingscan leadtosignificantaerodynamicbenefits,withthepotentialofincreasing theefficiencyandreducingthefuelconsumption.Gap-less,continuous andsmoothshapechangesreducetheaerodynamiclossescausedby discontinuitiesbetweenconventionalrigidandmoveablesurfacesby postponingflowtransitionorseparation.Owingtothesecharacteristics, conformalshapechangespermitvariationsofthewinggeometrywith minimalparasiticdragpenalties. Inturn,thiscapabilitypermitstoadapttheshapeoftheentirewing totherequirementsofvariousflightconditions:bylocallytailoringthe geometryoftheairfoilsandbyvaryingthespanwiseliftdistribution, morphingenablesthewingtoproducetherequiredaerodynamicforces and moments, while keeping the parasitic and the induced drag to a minimum.Thedegreesoffreedomofferedbymorphing,coupledwith theaerodynamicpropertiesofthedeformedairfoils,leadthereforeto optimalefficiencyinawidevarietyofflightconditions. Conformalshapechangescanbeattained–amongothertechniques – using selectively compliant structures. This approach results in lightweightdesigns,withlimitedmechanicalcomplexity,reducedparts count,andpotentiallylowmaintenanceneeds.Providingtheactuation by means of smart materials offers further benefits, and results in a trulymultifunctionaldesign:thesmartmaterial-basedactuatorscanbe spatiallydistributed,resultinginalargenumberofactuationdegreesof freedom,andtheycanbeintegratedinthestructure,contributingtoits load-carryingcapabilityandhenceenablingfurtherweightsavings. Thisapproachintroduces,however,additionalchallengesinthedesign processofadaptivewings:theirbehaviorresultsfromtheinteractionof iii multiplephysicaldomains;furthermore,themultidisciplinarydesign requirements are often conflicting. The wing has to be both load- carrying and flexible: it must possess structural rigidity to perform itsaerodynamicfunctionwhensubjectedtoexternalloads,andyetit mustbesufficientlycomplianttobedeformedbythesmartmaterial- basedactuators.Furthermore,theaerodynamicshapesobtainedthrough morphing must be aerodynamically efficient and effective, and the resultingstructureisrequiredtobeaslightweightaspossible. Thisthesispresentsamethodologythataddressesthedesignproblem ofdistributedcompliance, smartmaterials-actuatedmorphingwings throughaholisticapproach.Byconsideringsimultaneouslythevarious involveddisciplinesandtheirmutualinteractions,theproposedaero- servo-elasticanalysistechniquecanaccuratelysimulatethemorphing wing behavior. The optimal aerodynamic and structural designs, togetherwiththeidealcontrolstrategies,aredeterminedsimultaneously throughanumericaloptimization.Owingtotheconcurrentoptimiza- tionmethodandthemultidisciplinaryanalysistechnique,aeroelastic couplingsareconsideredandexploited,permittingfurtherperformance benefitsincomparisontoconventionalsequentialapproaches.Anovel techniqueenablestheautomaticformulationoftheoptimizationgoals, extractingthemdirectlyfromthetrajectoriesformingthemissionsof thedesignedaircraft. Theresultingmethodologycanthereforeidentifytheoptimalmorph- ingwingdesignforthespecificmissionstheairplanewilloperateon, andassesstheidealcontrolinputsforthevariousflightphases.Owing totheabilityofmorphingwingstoadapttoflightconditionsdifferent fromthedesignpointwhilemaintaininglowdrag,highaerodynamic efficiencycanbeachievedthroughouteachmission. Additional benefits are attained when this technique is applied to tailless airplanes. These aircraft achieve equilibrium and stability at differentflightconditionsexclusivelybyadjustingtheliftdistribution along the wingspan. Conventionally, these properties are achieved throughtheuseofdiscreteelevons,whichareconstantlydisplacedfrom theirinitialpositionineveryflightconditiondifferentfromthedesign one.Theextradragassociatedwiththepersistentelevonsdeflections offsetsthebenefitsprovidedbytaillessaircraft. Byusingamorphing winginthisconfiguration,thesamevariationsinliftdistributioncould iv beachieved,withoutsignificantincreasesindrag,resultinginhigher aerodynamicefficiency. The capabilities of the herein presented analysis and optimization techniques have been assessed through a series of investigations, involving different camber morphing concepts and strategies. An additionalvalidationoftheanalysisandoptimizationmethodologyhas beenperformedthroughanexperimentalstudy,aimingtoreplacethe conventionalwingsofa1.75mspanunmannedaerialvehiclewitha compliantsolution.Theselectivelycompliantmorphingwings,actively deformedbysolid-statepiezoelectricactuators,wereoptimizedusing the aforementioned multidisciplinary techniques. The goal of the optimization was to achieve the same functionality of conventional ailerons, namely the capability of controlling the plane in roll up to speedsof30m/s,whilesimultaneouslyminimizingthedragcausedby this maneuver. Low-speed wind tunnel tests permitted to assess the aeroelasticresponseofthemanufacturedwings,confirmingtheability toachievevariationsinliftandinrollingmomentwhilemaintaininga highaerodynamicefficiency. Followingthedevelopmentandintegrationofthenecessarymechanic, electric and electronic components in the plane, a flight test was performed, unequivocally demonstrating the capabilities offered by smartmaterial-actuatedmorphingwingsbasedonselectivelycompliant structures. v ZUSAMMENFASSUNG FlugzeugesindwährendihresEinsatzeseinerVielzahlunterschiedlicher Flugzuständenausgesetzt.DieAuslegungderauftriebserzeugendenTrag- flächenistdahereinKompromiss,umalleEinflussfaktorenbestmöglich zu berücksichtigen. Aus diesem Grund kann das volle Potential der TragflächennurinsehrwenigenFälleninvollemMaßeerreichtwerden. GegenwärtigerreichtmaneinengewissenGradanFormvariabilitätvon Tragflächenmithilfediskreter,beweglicherKomponenten.Ausdiesem GrundversprichteinekontinuierlicheFormänderungerheblicheaerody- namischeVorteileundzeigtPotential,dieEffizienzdesGesamtsystems erheblichzusteigernundsomitdenTreibstoffverbrauchvonFluggeräten zusenken. Glatte,durchgängigeOberflächenverringernaerodynamischeVerlus- te,diedurchdieDiskontinuitätenzwischenstrukturellenKomponenten entstehen. Aus diesem Grund erlaubt konforme Formänderung von Tragflächen,denaufkommendenparasitärenWiderstandimVergleich zukonventionellenMethodensignifikantzuverringern. DesWeiterenkannsichdasSystemaufunterschiedlichsteentstehende Flugbedingungen ideal anpassen: durch lokale Formänderung der TragflächesowiedasAnpassenderAuftriebsverteilunginSpannweiten- richtungerlaubtMorphing,dieerforderlichenaerodynamischenKräfte undMomentezuerzeugenunddabeidenparasitärenundinduzierten WiderstandaufeinemMinimumzuhalten. DiedurchkonformeFor- mänderungentstehendenFreiheitsgradesowiedieaerodynamischen EigenschaftenderverformtenTragflächeeröffnenoptimaleEffizienzfür dasGrosaufkommenderFlugzustände. Eine Möglichkeit der konformen Formänderung ist die Auslegung von Strukturen mit selektiver Nachgiebigkeit. Dieser Ansatz basiert aufLeichtbausystemenmitgeringermechanischerKomplexität,einer reduzierten Anzahl an Einzelteilen und somit einem geringen War- tungsaufwand. Die Verwendung smarter Materialien als Aktuatoren eröffnet weitere Vorteile und resultiert in einer multifunktionellen Struktur: Einerseits entsteht eine hohe Anzahl an Freiheitsgraden des Gesamtsystems durch eine bestimmte räumliche Verteilung der vii AktuatorenundandererseitsdienendiesealslasttragendeKomponenten, da sie mittels integraler Bauweise in die Struktur eingebaut werden können. DieserAnsatzzeigtzusätzlicheHerausforderungenimAuslegungspro- zessadaptiverFlugzeugstrukturenauf:unterschiedlichephysikalische DisziplinenbeeinflussendasGesamtsystemverhaltenundresultierenin oftmalskontroversenmultidisziplinärenDesignanforderungen.EinFlü- gelmusssowohllasttragendalsauchnachgiebigsein:dieStrukturmuss externeLastenaufnehmenkönnenundsomiteinegewissestrukturelle SteifigkeitsowieFestigkeitbesitzen;andererseitsmusssienachgiebig genug sein, um eine durch die Aktuatoren induzierte Verformung ausführenzukönnen.WeiterhinmussdieerzielbareFormänderungeine hoheaerodynamischeEffizienzaufweisenund–imSinnedesLeichtbaus –sowenigMassewiemöglichaufweisen. DieseArbeitpräsentierteinKonzept,dasdurcheinenholistischen Ansatz die Auslegung einer Struktur mit selektiver Nachgiebigkeit adressiert. Unter Berücksichtigung aller beteiligten Disziplinen und deren Interaktion ist die vorgestellte Methodik in der Lage, das For- mänderungsverhaltenderTragflächegenauzubeschreiben.Optimale aerodynamischesowiestrukturelleAuslegungen,unddieidealenKon- strollstrategien,werdendurchnumerischeOptimierungberechnet.Aero- servo-elastischeKopplungwirdindiesermultidisziplinärenOptimierung gleichzeitig berücksichtigt. Dies ist ein Vorteil im Vergleich zu der sequentiellen Methode, in der die verschiedenen Disziplinen nicht simultan optimiert werden. Mithilfe einer neuartigen Methode wird dieautomatischeFormulierungderOptimierungszieleerreicht,welche wiederum direkt aus den Trajektorien von Flugmissionen erhalten werden können. Somit kann das vorgestellte Konzept das optimale Morphing Wing Design für spezifische Flugmissionen identifizieren unddieidealenKontrolleingabenfürdieverschiedenenFlugzustände vorhersagen.DiesermöglichthoheEffizienzfürFlugmissionen,dain jederFlugphasedurchdieidealeFlügelformgeringeraerodynamischer Widerstanderreichtwird. Im Speziellen bietet dieser Ansatz Vorteile für Nurflügelflugzeuge. DieseerreichenGleichgewichtundStabilitätbeiunterschiedlichenFlug- zuständen,indemsiedieAuftriebsverteilunginSpannweitenrichtung anpassen. Dies wird gegenwärtig mithilfe diskreter Kontrollflächen erreicht,diewährendderFlugmissionenkontinuierlichihreAusrichtung viii