Optimisation simultanée de stratifications composites et de trajectoires de raidissement non conventionnelles appliquée à des structures cylindriques de grandes dimensions

Simultaneous optimization of unconventional stiffener layouts and composite layups applied to large cylindrical shell structures

• Auteur / Autrice : Florent Savine
• Direction : Angela Vincenti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences mécaniques
• Date : Soutenance le 07/06/2022
• 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 : Corrado Maurini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Terence Macquart, Julian Norato, Cédric Julien, Yannick Guérin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marco Montemurro, Joseph Morlier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Optimisation topologique

Composites

Optimisation des structures

Mots clés libres

Optimisation topologique à composants

Optimisation composite bi-niveaux

Rigidités et épaisseurs variables

Reconstitution empilements

Méthode à gradients

Éléments finis

Component-based topology optimization

Bi-level composite layup optimization

Variable-stiffness and variable-thickness

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le cadre de la conception de structures primaires de lanceurs spatiaux légères. L'objectif de la thèse est de développer une méthode capable d'optimiser simultanément des empilements composites, avec rigidités et épaisseurs variables, et des chemins de raidissement innovants. La base de la méthode repose sur l’optimisation bi-niveau des stratifiés composites. Dans l'optimisation structurelle de premier niveau, les propriétés matériau anisotropes locales de la peau de la structure, à épaisseurs et rigidités variables, représentées par les paramètres polaires, sont optimisées simultanément avec la disposition des raidisseurs, via un algorithme à gradient. L'optimisation des chemins de raidissement repose sur une méthode d'optimisation topologique à base de composants, développée dans ce travail, qui permet itérativement de mettre à jour un modèle éléments finis de la structure de raidissement, composé d'éléments structuraux (poutres et coques), sans remaillage. Par ce processus, la rigidité globale de la structure est maximisée en tenant compte des contraintes sur la masse, le flambage et les flux d’efforts. Au deuxième niveau de l’optimisation, les stratifiés réalisant les propriétés optimisées du premier niveau sont reconstitués, soit en résolvant un problème d'identification formulé comme un problème d’optimisation, soit analytiquement en supposant des séquences d'empilements non-conventionnelles (Quasi-Triviales et Double-Doubles). La méthode est développée et validée sur des cas tests académiques, et finalement appliquée au pré-dimensionnement d'une jupe de lanceur fournie par le CNES. Des concepts innovants de structures composites raidies sont proposés, significativement plus légers que la conception métallique de référence optimisée du CNES.

This thesis addresses the challenge of designing lightweight load-bearing space-launcher structures. The objective of the thesis is to develop a method capable of simultaneously optimizing innovative stiffener layouts and composite layups. For this purpose, the bi-level framework for the optimization of composite laminates is taken as basis. In the first-level structural optimization, the local anisotropic material properties of the variable-thickness and variable-stiffness skin of the structure, parametrized by the polar parameters, are simultaneously optimized with the stiffener layout, via a gradient-based algorithm. The optimization of the stiffener layout relies on a component-based topology optimization method developed in this work, that allows to iteratively update a finite-element model of the stiffening structure made of structural elements (beams and shells), without re-meshing. By this process, the global structural stiffness is maximized considering constraints on mass, buckling and force fluxes. In the second level of the framework, laminates realizing the optimized first-level properties are retrieved either by solving an optimization-based identification problem, or analytically by assuming non-conventional stacking sequences (Quasi-Trivial and Double-Doubles). The method is developed and validated on academic test cases, and finally applied to pre-sizing a launcher skirt provided by CNES. Innovative stiffened composite structure concepts are proposed, significantly lighter than the optimized reference metallic design of CNES.