Self-adaptive design paradigms for the development of high-performance systems : from the manufacturing process to real-time vibration control

Paradigmes de conception auto-adaptative pour le développement de structures à haute performance : du processus de fabrication au contrôle des vibrations en temps réel

• Auteur / Autrice : Jessé Augusto Dos Santos Paixão
• Direction : Scott Cogan, Emmanuel Foltête
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Collette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Demoly, Peter L. Green
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marcelo Areias Trindade, Manuel Collet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation prédictive

Commande robuste

Vibrations

Optimisation topologique

Mots clés libres

Structures auto adaptatives

Conception robuste

Structures intelligentes

Incertitudes

Self-Adaptive structures

Topology optimization

Robust design

Vibration

Smart Structures

Uncertainties

Résumé

Le développement de structures d'ingénierie complexes s'appuie fortement sur l'intelligence computationnelle sous la forme de modèles prédictifs basés sur la physique et sur le concept de robustesse face aux incertitudes pour soutenir les décisions de conception. Cette approche nécessite que les incertitudes liées à la modélisation, à la fabrication et au fonctionnement de la structure soient explicitement prises en compte, ce qui conduit inévitablement à un compromis entre performance et robustesse. Ce point est particulièrement important pour les applications à haut enjeu, car pour une conception candidate donnée, les modifications apportées afin d’avoir une conception robuste tout en garantissant une performance acceptable aboutissent à des conceptions sous-optimales avec une performance dégradée. Pour contourner cette situation, cette thèse propose d'étudier un changement de paradigme dans la façon dont les incertitudes sont gérées à travers le concept bio-inspiré de plasticité développementale, qui vise à fournir à la structure la capacité d'adapter sa conception tout au long de sa fabrication et de son fonctionnement. Dans ce contexte, deux paradigmes sont proposés : le paradigme des structures auto-architecturantes pour traiter les incertitudes pendant le processus de fabrication, et le paradigme des structures auto-adaptatives pour traiter les incertitudes affectant la phase de fonctionnement. Le paradigme des structures auto-architecturantes se fonde sur un processus en boucle fermée entre la conception et la fabrication en tirant parti de l'intelligence physique sous la forme d'observations expérimentales en temps réel. Ce paradigme est exploré dans deux problèmes d'application de la dynamique des structures : premièrement, la réalisation d'un absorbeur de vibrations à haute performance et deuxièmement, l’assignation des fréquences propres avec une haute précision. Dans le premier problème, le paradigme proposé est appliqué à la réalisation d'une plaque avec un absorbeur en forme de poutre introduit pour réduire les vibrations sur la base du critère de performance dit equal-peak. La démonstration expérimentale est réalisée à l'aide d'une imprimante 3D équipée d'un système de test de vibration en ligne et pilotée par un algorithme de décision basé sur des données expérimentales. Les performances d'une population de plaques auto-architecturées sont comparées à celles de leurs homologues standardisés afin de mettre en évidence les avantages et les limites du paradigme proposé. Dans le second problème, le paradigme de structures auto-architecturantes est appliqué à un cas de démonstration numérique pour la réalisation d'une plaque dont les trois premières fréquences naturelles sont assignées avec haute précision à l'aide d'une méthodologie originale qui combine l’expansion modale et l'optimisation topologique. Dans le paradigme des structures auto-adaptatives, le concept de plasticité développementale est étendu pour traiter les incertitudes pendant le fonctionnement des structures grâce à la stratégie d’opération auto-adaptative. Ce paradigme est traduit dans le développement d'un absorbeur de vibrations piézoélectrique auto-adaptatif avec un shunt résonant accordable analogique, exploité expérimentalement pour la réduction des vibrations d'un prototype d'avion.

The development of complex engineering structures relies heavily on computational intelligence in the form of science-based predictive models and on the concept of robustness to uncertainties to support design decisions. This approach requires that modeling, manufacturing, and operational uncertainties be explicitly considered and leads to an inevitable trade-off of performance for robustness. This point is particularly important for high-performance applications, because for a given candidate design, modifications made to ensure acceptable performance under uncertainty result in sub-optimal designs with degraded performance. To remedy this situation, this thesis proposes to investigate a paradigm shift in the way uncertainties are handled in the development of structures through the bio-inspired concept of developmental plasticity, which aims to provide the structure with the ability to adapt its design throughout its fabrication and its operation. Two paradigms are proposed: the self-design manufacturing paradigm to address uncertainties during the fabrication of structures; and the self-adaptive design paradigm to tackle uncertainties affecting structure operation. The application of the self-design manufacturing paradigm is achieved by closing the loop between the design and manufacturing processes by leveraging physical intelligence in the form of real-time experimental observations. This paradigm is explored in two challenging structural dynamics application problems: first, the realization of a high-performance vibration absorber, and second, the assignment of natural frequencies with high accuracy. In the first problem, the proposed paradigm is applied to the realization of a simply supported plate with a beam-like absorber introduced to reduce vibrations based on an equal peak performance criterion. The experimental demonstration is performed using a low-cost 3D printer driven by a simple decision algorithm and equipped with an online vibration testing system. The performances of a small population of self-designed plates are compared to those of their standardized counterparts to highlight the advantages and limitations of the proposed paradigm. In the second problem, the self-design manufacturing paradigm is applied to a numerical demonstration case of the realization of a simply supported plate with the first three natural frequencies accurately assigned using a methodology that combines structural modification driven by topology optimization. In the second paradigm proposed in this thesis, the concept of developmental plasticity is extended to deal with uncertainties during the operation of structures through the self-adaptive design strategy. This paradigm is exploited in the development of a self-adaptive piezoelectric vibration absorber with analog tunable resonant shunt, experimentally demonstrated in the vibration reduction of an aircraft prototype.