Optimization of variable-thickness composite structures. Application to a CROR blade.

par Alexis Lasseigne

Thèse de doctorat en Mécanique et Ingénierie

Sous la direction de Rodolphe Le Riche.

Soutenue le 26-04-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec ONERA - Centre de Châtillon (laboratoire) et de Département Décision en Entreprise : Modélisation, Optimisation (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Optimisation de structures composites d’épaisseur variable. Application à la pale de CROR.


  • Résumé

    Cette thèse aborde la problématique de la conception optimale de structures composites stratifiées d’épaisseur variable. Les variables d’empilement définissent un problème d’optimisation combinatoire et des espaces de décisions de grande taille et potentiellement multimodaux. Les algorithmes d’optimisation stochastiques permettent de traiter ce type de problème et de tirer profit des performances et de l’anisotropie des plis composites pour l’allègement des structures composites stratifiées. Le but de cette étude est double : (i) développer un algorithme d’optimisation dédié aux composites stratifiés d’épaisseur variable et (ii) estimer le potentiel des composites stratifiés pour la maîtrise des performances aérodynamiques d’une pale de CROR composite.Dans la première partie de cette thèse, un algorithme évolutionnaire est spécialisé pour l’optimisation de tables de drapage et la gestion d’un ensemble de règles de conception représentatif des pratiques de l’industrie. Pour se faire, un encodage spécifique des solutions est proposé et des opérateurs de variations spécialisés sont développés.Dans la deuxième partie, l’algorithme est enrichi d’une technique de guidage basée sur l’exploitation d’un espace auxiliaire afin d'accroître son efficacité et d’intégrer davantage de connaissances des composites dans la résolution du problème.Finalement, la méthode est appliquée pour la conception d’une pale de CROR composite à l’échelle de la maquette de soufflerie. Au préalable, des processus itératifs de mise à froid et mise à chaud de la pale sont mis en place afin d’estimer la forme de la pale au repos et l’état de contraintes dans la pale en fonctionnement.


  • Résumé

    This thesis deals with the optimal design of variable-thickness laminated composite structures. The stacking variables define a combinatorial optimization problem and large decision spaces which are potentially multimodal. Stochastic optimization algorithms allow solving this type of problem and allow taking advantage from the performance and the anisotropic nature of unidirectional composite plies to lighten laminated composite structures.The purpose of this study is twofold: (i) developing an optimization algorithm dedicated to variable-thickness laminated composites and (ii) assessing the potential of laminated composites in influencing the aerodynamic performances of a composite CROR blade.Firstly, an evolutionary algorithm is specialized in order to optimize layup tables and handle a set of design guidelines which is representative of industrial practices. In this purpose, a specific encoding of the solutions is suggested and specialized variation operators are developed.Secondly, the algorithm is enriched with a guiding technique based on the exploitation of an auxiliary space in order to improve its efficiency and to include further composites-related knowledge for the resolution of the problem.Finally, the method is applied for the design of a reduced-scale composite CROR blade intended for wind-tunnel testing. Beforehand, iterative processes are implemented to estimate the shape of the non-operating blade and the stress state within the operating blade.


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