Nouvelles formules de blending et de flambage multi-échelles pour améliorer l'optimisation déterministe des structures multicouches anisotropes

New Blending and Multi-Scale Buckling Formulations to Improve the Deterministic Optimisation of Anisotropic Multilayered Structures

• Auteur / Autrice : Marco Picchi scardaoni
• Direction : Marco Montemurro, Mario Rosario Chiarelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Conception (AM)
• Date : Soutenance le 26/01/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM en cotutelle avec Università degli studi (Pise, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Sergio De Rosa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Montemurro, Mario Rosario Chiarelli, Paolo Vannucci, Paul Weaver, Angela Vincenti, Enrico Panettieri, Vittorio Cipolla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Vannucci, Paul Weaver

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions

Composites

Mots clés libres

Optimisation

Conception d'avion

Materiaux composites

Composites

Aircraft design

Composite materials

Résumé

L’objectif de cette Thèse est de développer une méthodologie de conception multi-échelle innovante utilisant un algorithme déterministe pour la conception de structures composites multicouches.L'innovation par rapport aux travaux existants est représentée par la formalisation de deux aspects qui influent grandement sur la fiabilité et la qualité de la solution finale.Le premier aspect porte sur la prise en compte de l'intégration dans la formulation du problème de conception des réponses structurelles critiques intervenants aux différentes échelles du problème. En effet, puisque certaines réponses se manifestent à différentes échelles d'observation, la transition d’échelle se révèle nécessaire afin de bien saisir ces phénomènes. Dans ce travail, une attention particulière sera portée sur l'évaluation de la charge critique de flambage de panneaux raidis constituant l'élément fondamental de la structure des aéronefs. Cependant, la transition d’échelle doit être prise en compte dans la dérivation du gradient des réponses physiques, nécessaire au bon fonctionnement de l'algorithme déterministe pour la recherche de l'optimum.Le deuxième aspect porte sur la contrainte technologique dite de textit{blending}, un problème intrinsèquement lié à la variation du nombre de plis (et des orientations associées) entre stratifiés adjacents de différentes épaisseurs. En effet, les plis des stratifiés plus minces doivent être contenus dans l'empilement des stratifiés les plus épais, sans intersection entre plis. De plus, le blending permet une modulation de l’épaisseur de la structure. De par son importance, il est nécessaire de prendre en compte la contrainte de blending dès les premières phases de conception. De plus, une stratégie générale dont l’objectif est d’identifier le séquence d’empilement des couches du composite en satisfant la contrainte de blending a été développée : permettant ainsi de proposer une solution faisable. Deux approches possibles sont présentées : la première est une approche numérique et la seconde une approche combinatoire, basée sur la recherche des solutions dans une classe particulière de stratifiés (les séquences quasi-triviales).Une fois formalisée, cette approche a été appliquée au problème de la conception d’une architecture aéronautique complexe et innovante : le caisson alaire du PrandtlPlane développé au sein du projet PARSIFAL. Les résultats obtenus sont prometteurs.A coté de ces aspects, les travaux de Thèse abordent aussi deux sujets purement théoriques : la non-convexité du domaine de faisabilité des laminés, ainsi que une justification variationnelle de la modélisation des panneaux raidis. Des résultats inattendus et originals ont été déterminés pour chacun de ces deux thèmes.

The goal of this Thesis is to provide an improved design framework for the optimal design ofmultilayer composite structures by using deterministic algorithms.The improvement is based on the formalisation of two aspects which deeply affect the reliability and the likelihood of the final solution.The first one involves multi-scale considerations of the structural responses. In fact, some structural criticalities manifest themselves at different scales: the transition of scale is required to better catch these phenomena. In this work, attention is paid on buckling instability of stiffened panels. However, the scale transition must be considered in the derivation of the response gradient, to be provided to the deterministic algorithm of the solution search.The second one involves the so-called blending requirement. It is a problem about the correct junction of adjacent laminates of different thickness, requiring that all the plies of the thinner laminate must be contained in the stack of the thickest one, without ply intersections. Moreover, blending makes thickness variations possible. Due to its importance, blending is a manufacturing requirement which must be assessed since the preliminary design phases. Moreover, the development of a general strategy for the retrieval of blended stacking sequence for the structure is faced in this work, to provide a solution which can be manufactured. Two possible approaches are presented: a pure numerical one and a combinatorial one, wherein the solution search is carried out in the class of textit{quasi-trivial} stacking sequences. After a comparison, the former is preferred for the applications.Once formalised and included in an optimisation framework, the multi-scale approach for the deterministic optimisation, the blending requisite and the numerical approach for the stack recovery are employed for a complete optimal design of an innovative as well as complex aircraft structure: the wing-box of the PrandtlPlane developed within the PARSIFAL project. The obtained results are encouraging.Besides those aspects of the work, the Thesis also presents insights on two touched topics: the non-convexity of the laminate feasibility domain and the rational modelling choice of stiffened plates. For both topics new unexpected theoretical findings have been found.