Optimisation aéroélastique des plaques composites à l'aide d'approches déterministes et stochastiques

Aeroelastic optimisation of composite plates using both deterministic and stochastic approaches

• Auteur / Autrice : Mahshid Sharifi
• Direction : Jean-Camille Chassaing, Angela Vincenti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 23/02/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Deü
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paola Cinnella, Olivier Montagnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Montemurro, Fabrice Thouverez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation des structures

Composites

Matériaux hybrides

Aéroélasticité

Mots clés libres

Aeroelasticité

Composites

Optimisation

Aeroelasticity

Composites

Optimisation

Résumé

Avec la popularité croissante des matériaux composites en aéronautique, l'étude de l'influence de leur anisotropie sur le comportement aéroélastique de diverses structures est imminente. Ce type d'étude est appelé adaptation aéroélastique et implique la variation des propriétés de la structure composite afin d'obtenir la réponse aéroélastique souhaitée. Bien que certains travaux aient été réalisés dans ce domaine, la robustesse des méthodes utilisées pour traiter l'anisotropie des matériaux composites n'a pas encore atteint un niveau satisfaisant. Le premier objectif de ce travail est de reformuler le problème d'optimisation aéroélastique, afin d'obtenir une convergence plus rapide et un contrôle plus fiable des propriétés élastiques de la structure finale. À cette fin, une méthode d'optimisation à deux niveaux est présentée, au cours de laquelle une formulation paramétrique est utilisée pour l'optimisation du comportement aéroélastique. La formulation est basée sur des paramètres polaires qui peuvent décrire le comportement anisotrope d'une structure donnée. Le premier niveau d'optimisation est conduit par l'Algorithme Génétique. L'étude de second niveau est ensuite envisagée, associée à l'obtention d'une séquence d'empilement de 16 plis dans ce travail qui présente des propriétés identiques aux paramètres polaires optimaux. Ensuite, les stratifiés de type tow-steered avec des rigidités variables ont été étudiés. Ce type de matériau peut augmenter la rigidité de la structure et avoir un impact positif sur diverses réponses statiques et dynamiques de cette dernière. En utilisant les paramètres polaires, la variation de la rigidité le long de la structure a été modélisée et son comportement aéroélastique a été optimisé entre 2 et 4 %. Enfin, la réponse stochastique du cas optimal obtenu au cours du processus d'optimisation déterministe a été considérée. Les incertitudes paramétriques lors de la fabrication des laminés composites peuvent avoir un impact sur la réponse aéroélastique du système. Les incertitudes paramétriques ont été incluses dans le processus d'optimisation, ce qui a donné lieu à une optimisation de la conception basée sur la fiabilité. Les discontinuités présentes sur la surface de réponse aéroélastique rendent l'approximation faite par le modèle de substitution moins précise. L'utilisation d'une fonction continue appelée marge de stabilité est la solution à ce problème de discontinuité et permet également de réduire le temps de calcul.

With the growing popularity of composite materials in aeronautics, study of the influence of their anisotropy on the aeroelastic behaviour of various structures is imminent. This type of study is referred to as aeroelastic tailoring which implies the variation of the composite structure properties in order to obtain the desired aeroelastic response. While there has been some work done in this field, the robustness of the methods used in order to deal with the anisotropy of the composite materials has not yet been at a satisfying level. The first focus of this work is on reformulation of the aeroelastic optimisation problem, in order to achieve a faster convergence with more reliable control over the elastic properties of the final structure. For this purpose a 2-level optimisation method is presented during which a parametric formulation is employed for optimisation of the aeroelastic behaviour. The formulation is based on polar parameters which can describe the anisotropic behaviour of a given structure. The first level of the optimisation is conducted by the Genetic Algorithm. The second level study is then considered which is associated to the retrieval of a stacking sequence with 16 plies in this work that has identical properties as the optimal polar parameters. Next, the tow-steered laminates with variable stiffnesses have been studied. This type of material can increase the rigidity of the structure and positively impact various static and dynamic responses of the latter. Using the polar parameters, the variation of the rigidity along the structure has been modelled and its aeroelastic behaviour has been optimised between 2-4%. Finally, the stochastic response of the optimal case obtained during the deterministic optimisation process has been considered. The parametric uncertainties during the manufacturing of composite laminates can impact the aeroelastic response of the system. The parametric uncertainties have been included in the optimisation process resulting in a reliability-based design optimisation. The discontinuities present on the aeroelastic response surface render the approximation made by the surrogate model less accurate. The use of a continuous function called the stability margin is the solution to this discontinuity problem which helps with the computational time as well.