Conception et optimisation de structures lattice modulaires pour des applications aérospatiales

Design and optimization of modular lattice structures for aerospace applications

• Auteur / Autrice : Enrico Stragiotti
• Direction : Joseph Morlier, François-Xavier Irisarri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 27/03/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Anita Catapano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Morlier, François-Xavier Irisarri, Jun Wu, Pierre Duysinx, Cédric Julien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jun Wu, Pierre Duysinx

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux architecturés

Optimisation topologique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Structures architecturées

Fabrication additive

Optimisation topologique

Lattice structures

Topology optimization

Additive manufacturing

Résumé

Dans l'industrie aérospatiale, il existe une demande continue pour des aérostructures plus légères, motivée par la nécessité d'améliorer l'efficacité énergétique et les performances globales de l'avion. Par conséquent, le secteur aérospatial connaît actuellement deux changements majeurs : l'adoption d'avions à hydrogène et électriques, visant à développer des technologies aéronautiques plus propres et durables. Ces évolutions offrent des opportunités pour explorer des concepts innovants tels que l'aile volante ou les ailes haubanées transsoniques, s'éloignant de la configuration traditionnelle tube-et-aile. Une approche prometteuse pour répondre à ces demandes est l'utilisation de structures modulaires en treillis, reconnues pour leurs propriétés ultralégères et leur modularité. La conception modulaire offre divers avantages, notamment l'assemblage de grandes structures à partir de modules répétitifs plus petits, faciles à fabriquer, la réparabilité sur le terrain et l'assemblage rapide pour des structures temporaires.L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie de conception et d'optimisation pour des aérostructures ultralégères et modulaires. Initialement, nous avons réalisé une revue de la littérature existante pour identifier la base algorithmique la plus adaptée à l'optimisation de structures monolithiques (non modulaires). Après une comparaison approfondie, nous avons sélectionné l'approche nommé Truss Topology Optimization (TTO), qui utilise des barres comme élément de discrétisation de la structure. Cependant, la formulation classique du TTO présente des limitations, telles que l'incapacité à traiter les contraintes de flambage, à prendre en compte plusieurs cas de charge, à limiter l'élancement minimum et à assurer la compatibilité mécanique. Pour surmonter ces défis, nous avons formulé une approche globale et développé un algorithme innovant d'optimisation en deux étapes. Cela implique d'utiliser un problème simplifié pour générer une solution initiale, qui sert de point de départ pour l'optimisation à l'aide d'une formulation complète.La deuxième partie de la thèse se concentre sur l'adaptation de la formulation monolithique proposée pour modéliser des structures modulaires. Initialement, nous nous concentrons sur l'optimisation de la topologie d'une structure entièrement modulaire, où un seul module est répété tout au long du design. Nous examinons comment les hyperparamètres, tels que le nombre de sous-domaines et la complexité des modules, affectent les performances mécaniques de la structure. Ensuite, nous explorons un scénario plus complexe en optimisant plusieurs topologies de modules et leur disposition dans la structure. Cela est réalisé grâce à une nouvelle stratégie de résolution basée sur une approche Discrete Material Optimization (DMO), utilisant un optimiseur à descente de gradient.En abordant les défis de la conception légère et de la modularité dans les aérostructures, cette recherche vise à contribuer à l'évolution continue des technologies aérospatiales et à améliorer l'efficacité et les performances des futurs avions.

In the aerospace industry, there is a continuous demand for lighter aerostructures driven by the need to improve fuel efficiency and overall performance. Consequently, the aerospace sector is undergoing two significant shifts: the adoption of hydrogen-powered and electric planes, aimed at developing cleaner and more sustainable aviation technologies. These changes present opportunities to explore innovative concepts such as the flying wing or transonic dry truss-braced wings, deviating from the traditional tube-and-wing configuration. One promising approach to meet these demands is the utilization of modular lattice structures, known for their ultralight properties and modularity. Modular designs offer various advantages, including the assembly of large structures from smaller, easily manufacturable repeating modules, on-field repairability, and rapid assembly for temporary structures.The objective of this thesis is to develop a design and optimization methodology for ultralight and modular aerostructures. Initially, we conducted a review of existing literature to identify the most suitable algorithm basis for optimizing monolithic (non-modular) structures. After a comprehensive comparison, we selected the Truss Topology Optimization (TTO) approach, which utilizes bars as the discretizing element of the structure. However, the classic TTO formulation has limitations, such as the inability to address buckling constraints, consider multiple load cases, limit the minimum slenderness, and ensure mechanical compatibility. To overcome these challenges, we formulated a comprehensive approach and developed an innovative two-step optimization algorithm. This involves using a relaxed problem to generate an initial solution, which serves as the starting point for optimization using a complete formulation.The second part of the thesis focuses on adapting the proposed monolithic formulation to model modular structures. Initially, we concentrate on optimizing the topology of a fully modular structure, where a single module is repeated throughout the design. We investigate how hyperparameters, such as the number of subdomains and module complexity, affect the mechanical performance of the structure. Subsequently, we explore a more complex scenario by optimizing multiple module topologies and their layout within the structure. This is achieved through a newly proposed solving strategy based on a modified Discrete Material Optimization (DMO) approach, employing a gradient-based optimizer.By addressing the challenges of lightweight design and modularity in aerostructures, this research aims to contribute to the ongoing evolution of aerospace technologies and advance the efficiency and performance of future aircraft.