Conception intégrée de structure et de lois de contrôle pour un contrôle actif du flottement

Integrated structural and control design (Co-Design) for active flutter suppression

• Auteur / Autrice : Emmeline Faïsse
• Direction : Joseph Morlier, Daniel Alazard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 10/06/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Camille Chassaing
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Morlier, Daniel Alazard, Sihem Tebbani, Roeland De Breuker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sihem Tebbani, Roeland De Breuker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation des structures

Avions -- Conception et construction

Commande automatique

Aéroélasticité

Mots clés libres

Aéroélasticité

Optimisation

Commande automatique

Co-Design

Optimisation de structure

Conception avion

Aeroelasticity

Optimization

Control design

Co-Design

Structural optimization

Aircraft design

Résumé

La conception de la prochaine génération d’avions se doit d’être plus efficace dans sa consommation de carburant. Ces dernières années, la masse structurelle des ailes a été réduite grâce à l’usage de matériaux composites, entraînant une augmentation de leur flexibilité, et le rapport longueur/largeur des ailes a augmenté. Ces évolutions tendent à accroître le risque d’apparition du phénomène de flottement. Pour enrayer ce problème, des méthodes actives sont étudiées, et en particulier des lois de suppression active de flottement. Cette thèse de doctorat étudie donc deux sujets. Le premier est le développement d’une loi de contrôle actif du flottement pour un modèle d’avion de recherche. Le deuxième est l’application du co-design, soit l’optimisation simultanée de la structure et des lois de contrôle, pour un aile avec un dispositif de contrôle du flottement. Les méthodologies présentées sont testées sur un modèle aéroélastique à deux degrés de liberté puis implémentées sur un modèle d’avion complet. Le modèle 2D a été développé pour permettre l’élaboration de méthode de co-design pour les systèmes aéroélastiques. Les lois de suppression du flottement sont développées en utilisant une synthèse H∞ structurée.Les résultats montrent que, sur le modèle industriel, une augmentation de la vitesse de flutter de 11% est possible. L’architecture co-design imbriquée est utilisée afin d’optimiser simultanément la structure de l’aile et la loi de contrôle. L’utilisation du contrôle de flutter dans la boucle d’optimisation permet de réduire de 150 kg la masse structurelle par comparaison avec une optimisation structurelle avec une contrainte de flutter. Une étude est menée sur laformulation de la fonction objective de la boucle externe d’optimisation pour obtenir de meilleurs résultats, et elle permet de réduire la masse finale de la structure de 100 kg supplémentaires.

The design of the next generation of aircraft is driven by efficiency. In recent years, wing structural mass has been reduced by using specific composite materials at the price of increased elasticity. Simultaneously, the aspect ratio of commercial aircraft wings has increased. This trend is set to continue and might increase the risk of flutter coupling. To counter this phenomenon, active control and specifically active flutter suppression (AFS) laws are considered to take credit for structural improvements. This PhD research focuses on two main topics. The first one is to develop an AFS law for an aircraft research model. The second one is to examine the potentiality of co-design, the concurrent optimization of structure and control law, for a wing with AFS.The methodology for both the controller design and co-design is first tested on a two degrees of freedom aeroelastic model. The controller design for suppressing flutter is handled using structured H-infinity synthesis. Results on the 2D model show that an increase of 31% of the flutter speed in closed loop is possible using a single load factor sensor at the model elastic axis. The sensor position may also be tuned relatively to the chord and allow an additional 6% closed loop flutter speed increase.A flutter suppression controller is then designed for the XRF1 model, using the same methodology as in 2D. The XRF1 model is an industrial standard multidisciplinary research test case representing a typical contemporary configuration for a long-range wide-body civil transport aircraft. A high aspect ratio wing derivative of the XRF1 is used in this study, which is more sensitive to flutter than the initial model and fitted with trailing edge control surfaces along the whole wingspan. A focus is made on the aileron and sensor choice used to design the controller. Up to 11% increase of the flutter speed in closed loop is reached using the active flutter suppression controller.Following the AFS controller design, a co-design methodology is implemented. The optimization architecture chosen is a nested architecture or multi-discipline feasible architecture. It is first applied to the 2D model expanded with a two-cell cross-section model which parameters are optimized to reduce its mass while a control law is optimized concurrently to maintain flutter performance. Specifically, the benefit of an hybrid objective function between mass and flutter velocity is shown with a study of the relative ratio between the two values.Finally, the nested co-design architecture is applied to optimize the XRF1 wing mass. Using the hybrid objective function, following the study in 2D, shows an additional mass gain of 100kg on wings compared to an objective function including only the mass.