An evolutionary strategy supported by domain knowledge for aircraft automatic conceptual design

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se propone una estrategia evolutiva dirigida por simulación y soportada por conocimiento previo del dominio para la automatización del diseño conceptual de una aeronave, junto con un marco de trabajo para modelar y definir el proceso de diseño y la aeronave vista como un sistema de ingeniería. La solución propuesta se desarrolla a través de la realización del diseño conceptual de una aeronave de ala fija que desempeña una misión de planeo (al interior de un simulador de vuelo) y es implementada a través de cuatro variantes de la estrategia diseñada. Este trabajo esencialmente incorpora piezas de conocimiento del dominio en el proceso auto- mático de diseño conceptual de una aeronave para mejorar la búsqueda de un diseño óptimo y para ajustarse de mejor manera a la naturaleza basada en toma de decisiones a través de selección de alternativas y a la relevancia que la experiencia y el conocimiento del campo de aplicación tienen en la fase de diseño conceptual. Esta sinergia es lograda a través de la combi- nación de operadores basados en conocimiento previo del dominio del sistema (dos operadores son propuestos: operador de variación preconfigurada y operador de variación correctiva) con operadores evolutivos clásicos (recombinación y mutación) para producir diseños conceptuales (soluciones). Aunque diseñar una aeronave es usualmente un problema de optimización de diseño multiobjetivo y multidisciplinario, el aspecto multidisciplinario es puesto fuera del alcance de este trabajo, pospuesto para trabajo futuro, sin embargo, la naturaleza multiobjetivo es atendida a través de técnicas de escalarización por lo que una sola solución es obtenida como salida. ABSTRACT: This thesis introduces a simulation-driven evolutionary strategy, supported by domain knowledge, for aircraft conceptual design automation along with a framework to model and define the design process and the aircraft as an engineering system. The proposed solution is developed through the realization of a conceptual design of a fixed-wing aircraft to perform a gliding mission (inside a flight simulator), and it is implemented through four variants of the designed strategy. This work essentially incorporates pieces of domain knowledge into the automatic conceptual design process of an aircraft to improve the search for an optimal design, and to better match the —selection decision-making nature— and —experience and field knowledge relevance— in the conceptual design phase. This synergy is achieved by combining operators based on prior knowledge of the system domain (two operators are proposed: preconfigured variation operator and corrective variation operator), with classical evolutionary algorithms operators (recombination and mutation) to produce design concepts (solutions). Although designing an aircraft is usually a multi-objective, multi-disciplinary design optimization problem, the multi-disciplinary aspect is taken out of the scope in this work, postponed for future work; however, multi-objective nature is tackled through scalarization techniques, therefore, a single solution is obtained as output.