Reliability and optimization, application to safety of aircraft structures

par Liu Chu

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Eduardo de Cursi Souza et de Abdelkhalak El Hami.

Le président du jury était Abel Cherouat.

Le jury était composé de Eduardo de Cursi Souza, Abdelkhalak El Hami, Abel Cherouat, Piotr Breitkopf, Xiao-Lu Gong, Mohamed Eid.

Les rapporteurs étaient Piotr Breitkopf, Xiao-Lu Gong.

  • Titre traduit

    Fiabilité et optimisation, application à la sécurité des structures d'aéronefs


  • Résumé

    Les chercheurs dans le domaine de la conception aérodynamique et de la fabrication des avions ont fait beaucoup d'effort pour améliorer les performances des ailes par des techniques d'optimisation. Le développement de la mécanique des fluides numérique a permis de réduire les dépenses en soufflerie tout en fournissant des résultats convaincants pour simuler des situations compliquées des aéronefs. Dans cette thèse, il a été choisi une partie spéciale et importante de l'avion, à savoir, la structure de l'aile. L'optimisation basée sur la fiabilité est une méthode plus appropriée pour les structures sous incertitudes. Il se bat pour obtenir le meilleur compromis entre le coût et la sécurité tout en tenant compte des incertitudes du système en intégrant des mesures de fiabilité au sein de l'optimisation. Malgré les avantages de l'optimisation de la fiabilité en fonction, son application à un problème d'ingénierie pratique est encore assez difficile. Dans notre travail, l'analyse de l'incertitude dans la simulation numérique est introduite et exprimée par la théorie des probabilités. La simulation de Monte Carlo comme une méthode efficace pour propager les incertitudes dans le modèle d'éléments finis de la structure est ici appliquée pour simuler les situations compliquées qui peuvent se produire. Pour améliorer l'efficacité de la simulation Monte Carlo dans le processus d'échantillonnage, la méthode de l'Hypercube Latin est effectuée. Cependant, l'énorme base de données de l'échantillonnage rend difficile le fait de fournir une évaluation explicite de la fiabilité. L'expansion polynôme du chaos est présentée et discutée. Le modèle de Kriging comme un modèle de substitution joue un rôle important dans l'analyse de la fiabilité. Les méthodes traditionnelles d'optimisation ont des inconvénients à cause du temps de calcul trop long ou de tomber dans un minimum local causant une convergence prématurée. Le recuit simulé est une méthode heuristique basée sur une recherche locale, les Algorithmes Génétiques puisent leur inspiration dans les principes et les mécanismes de la sélection naturelle, qui nous rendent capables d'échapper aux pièges des optimums locaux. Dans l'optimisation de la conception de base de la fiabilité, ces deux méthodes ont été mises en place comme procédure d'optimisation. La boucle de l'analyse de fiabilité est testée sur le modèle de substitution.


  • Résumé

    Tremendous struggles of researchers in the field of aerodynamic design and aircraft production were made to improve wing airfoil by optimization techniques. The development of computational fluid dynamic (CFD) in computer simulation cuts the expense of aerodynamic experiment while provides convincing results to simulate complicated situation of aircraft. In our work, we chose a special and important part of aircraft, namely, the structure of wing.Reliability based optimization is one of the most appropriate methods for structural design under uncertainties. It struggles to seek for the best compromise between cost and safety while considering system uncertainties by incorporating reliability measures within the optimization. Despite the advantages of reliability based optimization, its application to practical engineering problem is still quite challenging. In our work, uncertainty analysis in numerical simulation is introduced and expressed by probability theory. Monte Carlo simulation as an effective method to propagate the uncertainties in the finite element model of structure is applied to simulate the complicate situations that may occur. To improve efficiency of Monte Carlo simulation in sampling process, Latin Hypercube sampling is performed. However, the huge database of sampling is difficult to provide explicit evaluation of reliability. Polynomial chaos expansion is presented and discussed. Kriging model as a surrogate model play an important role in the reliability analysis.Traditional methods of optimization have disadvantages in unacceptable time-complexity or natural drawbacks of premature convergence because of finding the nearest local optima of low quality. Simulated Annealing is a local search-based heuristic, Genetic Algorithm draws inspiration from the principles and mechanisms of natural selection, that makes us capable of escaping from being trapped into a local optimum. In reliability based design optimization, these two methods were performed as the procedure of optimization. The loop of reliability analysis is running in surrogate model.


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