Stratégies de calcul pour l'optimisation multiobjectif des structures composites
Calculation strategies for multiobjective optimisation of composite structures
Résumé
This thesis deals with the search for innovative composite solutions for mass reduction of aeronautical structures. Composite materials offer new degrees of freedom for structural design and optimisation. The aim of this study is to propose a methodology for robust optimisation of the stacking sequence of composite sub-components. The proposed strategy consists of three interlinked elements : the optimisation algorithm, the calculation strategy and the method to account for design uncertainties. A multiobjective optimisation algorithm is developed, that yields a set of optimal trade-offs between conflicting objectives. It is an evolutionary algorithm, whose efficiency is greatly increased compared to generic algorithms, through the introduction of multiscale mechanical models specific to layered composite materials. The algorithm is particularly suited to take into account the industrial guidelines for stacking-sequence design. To reduce calculation costs, different strategies are implemented, that imply detailed simulations and model approximation. A robust optimisation method is proposed, to account for uncertainties, lack of knowledge or potential errors. The first application deals with the buckling and post-buckling behaviour of stiffened panels. The second application deals with strength optimisation of bolted joints in composite structures, whose calculation is still problematic. A model is developed for the prediction of bearing failure, based on a progressive approach of the laminate failure and the onset of delamination, with excellent results compared to experimental data. This model is applied to the maximisation of the strength of an elementary joint with one fastener. It is also integrated in a multilevel approach for the calculation of complex junctions involving hundreds of fasteners.
Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche de solutions composites innovantes pour l'allègement des structures aéronautiques. Les matériaux composites stratifiés offrent, de par leur architecture interne, de nouveaux degrés de liberté pour la conception et l'optimisation des structures. L'objectif est ici de proposer une méthodologie pour l'optimisation robuste des empilements, à l'échelle de petits sous-ensembles structuraux composites. La démarche est décomposée en trois éléments imbriqués : algorithme d'optimisation, stratégie de calcul et prise en compte des incertitudes. L'algorithme multiobjectif développé retourne au concepteur un ensemble de compromis optimaux. Il s'agit d'un algorithme évolutionnaire, dont l'efficacité est considérablement accrue, par rapport aux outils génériques, par l'introduction de considérations mécaniques multiéchelles spécifiques aux composites stratifiés. Il est en particulier adapté à la prise en compte des recommandations industrielles pour le choix des séquences d'empilements. Afin de réduire les coûts de calcul, des stratégies de calcul sont mises en oeuvre, articulant modélisations fines et approximation des modèles. Une méthode d'optimisation robuste est proposée, pour la prise en compte des incertitudes, méconnaissances ou erreurs potentielles. La première application proposée traite du flambement et post-flambement de panneaux raidis. La seconde application traite de l'optimisation des assemblages boulonnés composites, dont le calcul reste aujourd'hui problématique. Un modèle de la rupture en matage est développé, basé sur une approche progressive de la rupture du stratifié et de l'amorce des délaminages, avec d'excellents résultats par rapport à l'expérience. Ce modèle est appliqué pour l'optimisation d'un assemblage élémentaire à une fixation, et intégré dans une approche multiniveau pour le calcul d'une jonction complexe à plusieurs centaines de fixations.
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