Les assemblages à base de fixations montées avec interférence et prétension sont largement utilisés dans le domaine de la construction aéronautique, notamment dans les zones structurales fortement chargées et soumises à des sollicitations de fatigue. Les performances de ces assemblages sont sensibles à de nombreux paramètres liés à la géométrie et aux matériaux mis en jeu. Pour optimiser la qualité de ces liaisons et atteindre les gains de durée de vie attendus, il est important de disposer de modèles à la fois rapides et fiables qui permettent, dès la phase de conception, d’évaluer l’influence des paramètres d’entrée sur les efforts caractéristiques de l’assemblage. Les travaux s’attachent, dans un premier temps, en s’appuyant sur une modélisation par éléments finis très détaillée du processus d’assemblage, à bien identifier les phénomènes mécaniques les plus caractéristiques des liaisons étudiées. Une approche analytique de premier niveau est ensuite développée. Elle conduit à un modèle d’estimation des efforts et de contraintes présentes dans les pièces assemblées qui produit des résultats très voisins de ceux obtenus avec le modèle de référence. Un modèle numérique dédié,basé sur des éléments finis axisymétriques et codé sous Matlab, est ensuite proposé. Il est apte à évaluer l’influence des variations des paramètres le long de l’interface entre les pièces tout en considérant les effets de bords. Une étude expérimentale basée sur une instrumentation de l’assemblage avec des fibres optiques à réseaux de Bragg est présentée. Les corrélations entre les résultats expérimentaux et ceux issus des modélisations sont très satisfaisantes / Assemblies based on interference fit fastener and preload are widely used in the fieldof aircraft construction, especially on structures heavily loaded and subjected to fatigue stresses.The performances of these assemblies are sensitive to many parameters related to the geometry and to the constitutive materials. To improve the quality of these assemblies and achieve the assembled parts. This simple model produces results very similar to those obtained with thereference model. A dedicated numerical model, based on axisymmetric finite elements and developed using Matlab code, is also proposed. It is able to evaluate the influence of parameter variations along the interface between the parts while considering the side effects. An experimental study based on an assembly instrumented with Fiber Bragg Gratings is presented.The correlations between the experimental results and those from the models are very satisfactory lifetime gains expected, it is important to use, from the early design phase, fast and reliable models in order to evaluate the influence of input parameters on the most significant efforts that take place around the fastener. In a preliminary phase, the work focuses on clearly identifyingthe mechanical phenomena characterizing the behavior of the mechanical connections understudy, using a very detailed finite element reference model of the assembly process. An analytical approach is then developed. It leads to a first level model for estimating loads and stresses in the assembled parts. This simple model produces results very similar to those obtained with the reference model. A dedicated numerical model, based on axisymmetric finite elements and developed using Matlab code, is also proposed. It is able to evaluate the influence of parameter variations along the interface between the parts while considering the side effects. An experimental study based on an assembly instrumented with Fiber Bragg Gratings is presented.The correlations between the experimental results and those from the models are very satisfactory

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception robuste de produit et plus particulièrement sur la phase de pré-dimensionnement dans le cas où un modèle de dimensionnement et un cahier des charges sont déjà définis. Une approche pour réaliser de l’optimisation robuste est proposée pour réduire la dispersion de la fonction objectif du cahier des charges du produit lorsque les paramètres de conception sont sujets aux incertitudes, conserver une bonne performance du produit et assurer une faisabilité des contraintes. Nous proposons ainsi la formulation d’un cahier des charges dit « robuste » transformant la fonction objectif et les contraintes du cahier des charges initial afin d’intégrer une notion de robustesse préalablement définie. La seconde contribution est une analyse des méthodes trouvées dans la littérature pour la propagation d’incertitudes à travers des modèles de dimensionnement. Les variations des paramètres sont alors modélisées par des dispersions probabilistes. L’analyse théorique du fonctionnement de chaque méthode est complétée par des tests permettant d’étudier la précision des résultats obtenus et de sélectionner la méthode utilisée par la suite. L’approche pour l’optimisation robuste de produit proposée dans ce travail est finalement mise en œuvre et testée sur deux études de cas. Elle intègre la méthode de propagation d’incertitudes dans une boucle de l’algorithme d’optimisation de manière à automatiser la recherche d’une solution optimale robuste pour le dimensionnement du produit. / The work presented in this thesis deals with the robust design of products. Particularly, it focuses on the design process preliminary phase where design models and specifications are already defined. A robust optimization approach is proposed. It aims to: reduce the scattering of the objective function included in the product specifications when the uncertainties reach the design parameters, maintain good performance of the product and ensure the constraints feasibility. We propose a new “robust” product specification that changes the objective function and the constraints of the initial specification in order to integrate the concept of robustness previously defined. The second contribution is an analysis of methods found in literature to propagate uncertainties across design models. Design parameter variations are modeled by probability distributions. The theoretical analysis of these methods is completed by numerous tests to investigate the accuracy of the results and to select the method used thereafter. The robust product optimization approach proposed in this work is finally implemented and tested on two case studies. It incorporates the propagation of uncertainties within the optimization loop to automate the search of a robust optimal solution for the design product.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver processos analíticos e programas computacionais para avaliação da estabilidade global e pré-dimensionamento de pórticos planos em concreto pré-moldado com base na garantia da estabilidade global. Em relação à avaliação da estabilidade global, são propostas duas expressões. A primeira está relacionada à expressão do limite do parâmetro de estabilidade aplicada a pórticos planos em concreto pré-moldado. A segunda expressão tem o objetivo determinar o deslocamento horizontal de topo de pórticos planos em concreto pré-moldado de um pavimento. A expressão do limite alternativo do parâmetro de estabilidade é deduzida a partir dos valores obtidos da relação entre o deslocamento horizontal médio e de topo de 1320 pórticos. A expressão é função do fator de restrição da ligação, contemplando, dessa forma, os efeitos causados pela semirrígidez das ligações no comportamento da estabilidade global desse sistema estrutural. A equação de determinação do deslocamento horizontal de topo de pórticos planos em concreto pré-moldado de um pavimento é deduzida com base no método dos deslocamentos. Em relação ao pré-dimensionamento de pórticos planos em concreto pré-moldado, são propostos processos analíticos para o pré-dimensionamento dos pilares de pórticos de um pavimento com ligação semirrígida e de pórticos de múltiplos pavimentos com ligações rígidas e articuladas. Os processos analíticos são constituídos pela expressão da rigidez equivalente de estabilidade de pórticos, desenvolvida através das equações do parâmetro de estabilidade e do seu limite alternativo. O trabalho ainda apresenta o Programa de Avaliação da Estabilidade Global e Pré-dimensionamento de Pórticos Planos em Concreto Pré-moldado, denominado PRE-MOLDIM. O programa é constituído por quatro módulos. O primeiro módulo realiza a avaliação da estabilidade global e verificação da deslocabilidade lateral de pórticos planos em concreto pré-moldado. O segundo módulo tem o objetivo de definir as dimensões mínimas dos pilares em função da garantia da estabilidade global e do deslocamento lateral admissível. O terceiro módulo define o valor da rigidez das ligações necessário para que sejam atendidos os quesitos de estabilidade global e deslocamento lateral admissível. O quarto módulo realiza o dimensionamento da armadura de continuidade de uma típica ligação viga-pilar em concreto pré-moldado. O dimensionamento da armadura de continuidade é realizado em função da garantia da estabilidade global e do deslocamento lateral admissível de pórticos planos em concreto pré-moldado. A aplicação dos processos analíticos e programas computacionais em exemplos comprovaram, de forma satisfatória, o desempenho de suas funções. Os valores obtidos pela expressão alternativa do limite do parâmetro de estabilidade são compatíveis com o limite do coeficiente \'gama\'z. Os valores do deslocamento de topo de pórticos de um pavimento com ligações semirrígidas, obtidos pelo processo analítico, são próximos dos valores obtidos pela simulação numérica. Os pilares pré-dimensionados pelos processos analíticos conseguem garantir de forma satisfatória estabilidade global dos pórticos planos em concreto pré-moldado. / The present work aims to develop analytical processes and computer programs for the evaluation of global stability and preliminary design of plane frames in precast concrete based on ensuring global stability. Regarding the evaluation of global stability, two analytical expressions are proposed. The first is related to the expression of the limit of the stability parameter applied to plane frames in precast concrete. The second expression has the objective to determine the horizontal displacement of the top of plane frames in precast concrete for a floor. The expression of the alternative stability limit of the parameter is deduced from the values obtained from the relationship between the average and the top horizontal displacement of 1320 frames. The expression is a function of the limiting factor of the connection, thus contemplating the effects caused by the semi-rigidity of the connection on the global stability behavior of this structural system. The equation for determining the horizontal displacement of the top of plane frames in precast concrete pavement is obtained based on the displacement method. Regarding the preliminary design of plane frames in precast concrete, analytical procedures are proposed for the preliminary design of column of an one store frame with semi-rigid connection and a multiple store frames with rigid and articulated connections. The analytical processes are constituted by the expression of equivalent stiffness of frame stability, developed through the equations of the stability parameter and its alternative limit. The work also presents the Program of Global Stability Evaluation and Preliminary Design of Plane Frames in Precast Concrete, called PRE-MOLDIM. The program consists of four modules. The first module performs the evaluation of global stability and verification of lateral plane frames displaceability in precast concrete. The second module aims to set minimum dimensions for the pillars due to guarantee the global stability and check the allowable lateral displacement. The third module defines the value of the connections stiffness so the matter of global stability and allowable lateral displacement are satisfied. The fourth module performs the design of continuity armor of a typical beam-column connection in precast concrete. The design armour continuity is made on the basis of ensuring the global stability and lateral displacement allowable plane frames in precast concrete. The application of analytical processes and computer programs in examples proved satisfactorily, the performance of its functions. The values obtained by the alternative expression of the limit of stability parameter are compatible with the limit of the coefficient \'gama\'z. The offset values top venting a pavement with semi-rigid connections, obtained by the analytical process, are close to the values obtained by numerical simulation. The preliminary designed pillars by analytical processes can ensure a satisfactory global stability of the plane frames in precast concrete.

L’objectif de cette thèse est de proposer des approches innovantes de conception préliminaire d’actionneurs embarqués. Cette démarche répond à un besoin fort de l’industrie,en particulier en aéronautique. Dans un premier temps, une méthode hybride de génération d’architectures solutions et de sélection vis-à-vis des exigences du cahier des charges et de l’état de l’art technologique est proposée. Dans un deuxième temps, une étude de l’effet de l’incertitude sur les modèles de conception préliminaire a été réalisée. Une troisième partie a démontré l’intérêt de lier les approches et les outils de modélisation 0D/1D et 3D afin de permettre l’accélération des phases de conception et afin de mieux remonter la connaissance liée à la géométrie. Enfin, une méthode utilisant les métamodèles basées sur les lois d’échelle visant à l’obtention de formes mathématiques simples pour le besoin de dimensionnent des composants mécatroniques a été développée / The objective of this thesis is to propose an innovative approaches for embedded actuators preliminary design. This approach responds to a strong need for the industry, particularly in aeronautics. As a first step, a hybrid method of architectures generation and selection depending on the specifications and the technological state of the art is proposed. In a second step, a study of the effect of uncertainty in preliminary design models was completed. A third part demonstrated the value of combining modeling approaches tools 0D/1D and 3D to enable the design phases acceleration and to have better knowledge related to the geometry. Finally, a method using meta-models based on scaling laws for obtaining simple mathematical forms needed for sizing mechatronic components has been developed

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver processos analíticos e programas computacionais para avaliação da estabilidade global e pré-dimensionamento de pórticos planos em concreto pré-moldado com base na garantia da estabilidade global. Em relação à avaliação da estabilidade global, são propostas duas expressões. A primeira está relacionada à expressão do limite do parâmetro de estabilidade aplicada a pórticos planos em concreto pré-moldado. A segunda expressão tem o objetivo determinar o deslocamento horizontal de topo de pórticos planos em concreto pré-moldado de um pavimento. A expressão do limite alternativo do parâmetro de estabilidade é deduzida a partir dos valores obtidos da relação entre o deslocamento horizontal médio e de topo de 1320 pórticos. A expressão é função do fator de restrição da ligação, contemplando, dessa forma, os efeitos causados pela semirrígidez das ligações no comportamento da estabilidade global desse sistema estrutural. A equação de determinação do deslocamento horizontal de topo de pórticos planos em concreto pré-moldado de um pavimento é deduzida com base no método dos deslocamentos. Em relação ao pré-dimensionamento de pórticos planos em concreto pré-moldado, são propostos processos analíticos para o pré-dimensionamento dos pilares de pórticos de um pavimento com ligação semirrígida e de pórticos de múltiplos pavimentos com ligações rígidas e articuladas. Os processos analíticos são constituídos pela expressão da rigidez equivalente de estabilidade de pórticos, desenvolvida através das equações do parâmetro de estabilidade e do seu limite alternativo. O trabalho ainda apresenta o Programa de Avaliação da Estabilidade Global e Pré-dimensionamento de Pórticos Planos em Concreto Pré-moldado, denominado PRE-MOLDIM. O programa é constituído por quatro módulos. O primeiro módulo realiza a avaliação da estabilidade global e verificação da deslocabilidade lateral de pórticos planos em concreto pré-moldado. O segundo módulo tem o objetivo de definir as dimensões mínimas dos pilares em função da garantia da estabilidade global e do deslocamento lateral admissível. O terceiro módulo define o valor da rigidez das ligações necessário para que sejam atendidos os quesitos de estabilidade global e deslocamento lateral admissível. O quarto módulo realiza o dimensionamento da armadura de continuidade de uma típica ligação viga-pilar em concreto pré-moldado. O dimensionamento da armadura de continuidade é realizado em função da garantia da estabilidade global e do deslocamento lateral admissível de pórticos planos em concreto pré-moldado. A aplicação dos processos analíticos e programas computacionais em exemplos comprovaram, de forma satisfatória, o desempenho de suas funções. Os valores obtidos pela expressão alternativa do limite do parâmetro de estabilidade são compatíveis com o limite do coeficiente \'gama\'z. Os valores do deslocamento de topo de pórticos de um pavimento com ligações semirrígidas, obtidos pelo processo analítico, são próximos dos valores obtidos pela simulação numérica. Os pilares pré-dimensionados pelos processos analíticos conseguem garantir de forma satisfatória estabilidade global dos pórticos planos em concreto pré-moldado. / The present work aims to develop analytical processes and computer programs for the evaluation of global stability and preliminary design of plane frames in precast concrete based on ensuring global stability. Regarding the evaluation of global stability, two analytical expressions are proposed. The first is related to the expression of the limit of the stability parameter applied to plane frames in precast concrete. The second expression has the objective to determine the horizontal displacement of the top of plane frames in precast concrete for a floor. The expression of the alternative stability limit of the parameter is deduced from the values obtained from the relationship between the average and the top horizontal displacement of 1320 frames. The expression is a function of the limiting factor of the connection, thus contemplating the effects caused by the semi-rigidity of the connection on the global stability behavior of this structural system. The equation for determining the horizontal displacement of the top of plane frames in precast concrete pavement is obtained based on the displacement method. Regarding the preliminary design of plane frames in precast concrete, analytical procedures are proposed for the preliminary design of column of an one store frame with semi-rigid connection and a multiple store frames with rigid and articulated connections. The analytical processes are constituted by the expression of equivalent stiffness of frame stability, developed through the equations of the stability parameter and its alternative limit. The work also presents the Program of Global Stability Evaluation and Preliminary Design of Plane Frames in Precast Concrete, called PRE-MOLDIM. The program consists of four modules. The first module performs the evaluation of global stability and verification of lateral plane frames displaceability in precast concrete. The second module aims to set minimum dimensions for the pillars due to guarantee the global stability and check the allowable lateral displacement. The third module defines the value of the connections stiffness so the matter of global stability and allowable lateral displacement are satisfied. The fourth module performs the design of continuity armor of a typical beam-column connection in precast concrete. The design armour continuity is made on the basis of ensuring the global stability and lateral displacement allowable plane frames in precast concrete. The application of analytical processes and computer programs in examples proved satisfactorily, the performance of its functions. The values obtained by the alternative expression of the limit of stability parameter are compatible with the limit of the coefficient \'gama\'z. The offset values top venting a pavement with semi-rigid connections, obtained by the analytical process, are close to the values obtained by numerical simulation. The preliminary designed pillars by analytical processes can ensure a satisfactory global stability of the plane frames in precast concrete.

La réussite du développement des produits industriels a un enjeu économique considérable pour l’entreprise. Les décisions sur les concepts et sur l’architecture du produit ont un impact considérable sur le coût global du cycle de vie du produit. Les industriels sont alors de plus en plus encouragés à adopter des méthodes permettant de rationaliser les décisions de conception. Ces méthodes doivent être en adéquation avec le niveau de connaissance acquis sur les alternatives de conception, la nature des décisions à prendre et les outils d’évaluation disponibles. Ainsi, deux méthodes d’aide à la décision ont été développées dans cette thèse en fonction de la phase de conception étudiée.Une première méthode est proposée pour la phase amont de conception dans laquelle l’objectif de l’entreprise est de réduire le nombre de concepts proposés initialement pour concentrer ses efforts et ses ressources sur les concepts les plus prometteurs. Durant cette phase, les produits sont définis d’une manière très imprécise. Les concepteurs doivent alors faire beaucoup d'hypothèses lorsqu’ils proposent des modèles de comportement destinés à évaluer les concepts. Ces modèles, qui expriment une connaissance de nature explicite, sont insuffisants pour faire des choix de concepts. Pour remédier à cette difficulté, nous nous orientons dans notre étude vers la connaissance implicite (ou subjective), obtenue au travers de l'expérience et du savoir-faire acquis par les concepteurs. Afin d’intégrer cette connaissance dans la prise de décision, elle est d’abord formalisée au travers d’outils comme les fonctions de préférence. La méthode globale d’aide à la décision proposé permet de combiner à la fois cette connaissance implicite et la connaissance explicite (représentée par les modèles de comportement) pour évaluer chaque concept en termes d’aptitude à respecter les exigences minimales de validation et du niveau d’adéquation avec les objectifs de conception. Les objectifs et préférences des décideurs sont, quant à eux, structurés et formalisés au travers du modèle OIA (Observation-Interprétation-Agrégation) développé auparavant dans le laboratoire I2M-IMC.Une deuxième méthode a été proposée pour la phase aval de conception qui a pour objectif de fixer les paramètres du produit final (choix des matériaux, dimensions, etc.) après que le concept ait été choisi. Durant cette phase, le produit est défini d’une manière plus précise et les modèles de comportement sont plus représentatifs des phénomènes physiques pertinents du concept étudié. Ces modèles restent cependant basés sur des hypothèses qui conduisent parfois à une remise en question de leur exactitude, surtout pour certains paramètres de conception. Fixer les paramètres du produit en se basant uniquement sur ces modèles de comportement nécessite la prise en compte de leur niveau exactitude. Nous avons donc développé un indicateur d’exactitude de ces modèles qui intègre, d’une part, une évaluation objective qui est la mesure d’écart entre le modèle et un comportement de référence (supposé exact) et, d’autre part, sur une évaluation subjectif qui se base sur la mesure de distance avec la solution de référence (solution prototypée) et sur des fonctions de confiances établies par les concepteurs. La combinaison d’une évaluation objective et subjective de l’exactitude permet d’obtenir à la fin un indicateur général d’exactitude capable de couvrir l’intégralité de l’espace de conception. L’indicateur ainsi obtenu est utilisé dans une méthode d’aide à la décision qui qualifie chaque solution candidate en terme de risque engendré par les l’exactitude des modèles et de degré de satisfaction des objectifs de conception (en se basant la modèle OIA). / The successful development of industrial products has a considerable economic challenge for the company. Decisions on concepts and product architecture have a significant impact on the overall cost of the product life cycle. Manufacturers are then increasingly encouraged to adopt methods to streamline design decisions. These methods must be consistent with the level of knowledge acquired on alternative design, the nature of decision making and assessment tools available. Thus, both methods of decision support have been developed in this thesis based on the study design phase.A first method is proposed for the upstream design stage in which the goal of the company is to reduce the number of concepts initially proposed to focus its efforts and resources on the most promising concepts. During this phase, the products are defined very loosely. Designers must then make a lot of assumptions when proposing role models to assess the concepts. These models, which express a knowledge of explicit nature, are insufficient to make choices concepts. To overcome this difficulty, we are moving in our study to the implicit knowledge (or subjective), obtained through the experience and expertise acquired by the designers. To integrate this knowledge in decision-making, it is first formalized through tools such as preferably functions. The overall approach to decision support proposed for combining both the implicit knowledge and explicit knowledge (represented by the role models) to assess each concept in terms of ability to meet the minimum requirements for validation and level fitness with the design goals. The objectives and preferences of decision makers are, in turn, structured and formalized through the OIA model (Observation-Interpretation-Aggregation) previously developed in the laboratory I2M-BMI.A second method was proposed for the downstream design phase that aims to set the parameters of the final product (choice of materials, dimensions, etc.) after the concept was chosen. During this phase, the product is defined in a more precise manner and behavior patterns are more representative of the relevant physical phenomena of the concept studied. These models are however based on assumptions which sometimes lead to a questioning their accuracy, especially for some design parameters. Fix the product parameters based solely on these patterns of behavior requires taking into account their accuracy level. We have therefore developed an accuracy indicator of these models that integrates on the one hand, an objective assessment which is the measure of difference between the model and a reference behavior (assumed correct) and, secondly, on a subjective assessment that is based on the distance measurement with the reference solution (prototyped solution) and trusts functions established by the designers. The combination of objective and subjective assessment of the accuracy provides at the end a general indicator of accuracy able to cover the entire design space. The indicator thus obtained is used in a method of decision support that qualifies each candidate solution in terms of risk posed by the accuracy of the models and level of satisfaction of design objectives (based the model OIA) .

La définition et l’utilisation d'un modèle couplant la conception de produit et la conduite du projet dès les phases amont de l’étude d’un système correspondent à une forte demande industrielle. Ce modèle permet la prise en compte simultanée de décisions issues des deux environnements produit/projet mais il représente une augmentation conséquente de la dimension de l'espace de recherche à explorer pour le système d'aide à la décision, notamment lorsque il s'agit d'une optimisation multiobjectif. Les méthodes de type métaheuristique tel que les algorithmes évolutionnaires, sont une alternative intéressante pour la résolution de ce problème fortement combinatoire. Ce problème présente néanmoins une particularité intéressante et inexploitée : Il est en effet courant de réutiliser, en les adaptant, des composants ou des procédures précédemment mis en œuvre dans les produits/projets antérieurs. L'idée mise en avant dans ce travail consiste à utiliser ces connaissances « a priori » disponibles afin de guider la recherche de nouvelles solutions par l'algorithme évolutionnaire. Le formalisme des réseaux bayésiens a été retenu pour la modélisation interactive des connaissances expertes. De nouveaux opérateurs évolutionnaires ont été définis afin d'utiliser les connaissances contenues dans le réseau. De plus, le système a été complété par un processus d'apprentissage paramétrique en cours d'optimisation permettant d'adapter le modèle si le guidage ne donne pas de bons résultats. La méthode proposée assure à la fois une optimisation plus rapide et efficace, mais elle permet également de fournir au décideur un modèle de connaissances graphique et interactif associé au projet étudié. Une plateforme expérimentale a été réalisée pour valider notre approche. / The definition and use of a model coupling product design and project management in the earliest phase of the study of a system correspond to a keen industrial demand. This model allows simultaneous to take into account decisions resulting from the two environments (product and project) but it represents a consequent increase of the search space dimension for the decision-making system, in particular when it concerns a multiobjective optimization. Metaheuristics methods such as evolutionary algorithm are an interesting way to solve this strongly combinative problem. Nevertheless, this problem presents an interesting and unexploited characteristic: It is indeed current to re-use, by adapting them, the components or the procedures previously implemented in pasted product or project. The idea proposed in this work consists in using this “a priori” knowledge available in order to guide the search for new solutions by the evolutionary algorithm. Bayesian network was retained for the interactive modeling of expert knowledge. New evolutionary operators were defined in order to use knowledge contained in the network. Moreover, the system is completed by a process of parametric learning during optimization witch make it possible to adapt the model if guidance does not give good results. The method suggested ensures both a faster and effective optimization, but it also makes it possible to provide to the decision maker a graphic and interactive model of knowledge linked to studied project. An experimental platform was carried out to validate our approach.

L’intégration des contraintes d’industrialisation, des pièces en matériaux composites, en conception préliminaire, est un enjeu majeur de la compétitivité des entreprises, et s’inscrit dans une démarche de développement durable. Un travail de captation et de mise en forme de la connaissance industrielle a permis de développer une stratégie d’optimisation. Cette stratégie repose sur une approche multi-métiers, elle permet d’estimer la performance technique et économique d’une solution d’industrialisation. L’estimation de la performance est basée sur l’évaluation, pour chaque solution d’industrialisation, du risque de rupture du composant assemblé, du niveau d’intégration fonctionnelle et du coût de fabrication. La définition de la meilleure alternative est obtenue par la comparaison de la performance de solutions et s’appuie sur des méthodes et outils d’aide à la décision. Le risque de rupture est estimé à partir des écarts entre des caractéristiques de la pièce fabriquée par procédé Resin Transfer Molding (RTM) et les caractéristiques nominales. Les caractéristiques de la pièce fabriquée prises en compte sont : - les écarts géométriques, - les écarts de caractéristiques mécaniques. Dans l’industrie aéronautique, certaines pièces de structure en matériaux composites sont réalisées par le procédé RTM. Dans ce type de mise en forme, les caractéristiques mécaniques du composant sont directement liées au niveau d’imprégnation de la préforme. Dans le travail de thèse, les défauts d’imprégnation sont identifiés comme des écarts volumiques d’imprégnation. Ces écarts ont pour conséquence d’altérer les propriétés mécaniques du matériau qui constitue la pièce. L’estimation des écarts volumiques d’imprégnation est obtenue à partir de l’analyse des résultats de la simulation par éléments finis de l’écoulement de résine dans le renfort fibreux (logiciel Pam RTM®). La géométrie de la pièce obtenue par procédé RTM diffère de la géométrie nominale, cet écart est due en partie aux différences entre les caractéristiques physiques des constituants du matériau composite. Les variations géométriques de la pièce fabriquée sont identifiées comme des écarts géométriques de fabrication. Les écarts géométriques sont compensés, lors de la phase d’assemblage, par des déformations garantissant les contacts avec les pièces adjacentes. Ces déformations génèrent un état de contraintes mécaniques au sein de la pièce. La quantification de l’état de contraintes mécaniques est obtenue à partir d’une simulation thermomécanique par éléments finis réalisée par le logiciel Samcef®. L’aide à la décision est basée sur l’étude combinée de l’état de contraintes mécaniques due à la compensation des écarts géométriques et de l’incidence des écarts volumiques d’imprégnation sur les propriétés mécaniques de la pièce. Trois critères permettent d’estimer le risque de rupture du composant assemblé : un critère de rupture des matériaux composites quantifie le risque de rupture, les deux autres critères, prenant en compte les défauts d’imprégnation, majorent le risque de rupture. Afin de faciliter l’interprétation des résultats et la phase de comparaison de solutions, le risque de rupture est présenté sous forme d’une cartographie. En fonction des couplages des valeurs des critères, une optimisation de la conception et/ou de l’industrialisation est proposée. Une évaluation du niveau d’intégration fonctionnelle ainsi que du coût de fabrication complète la démarche d’aide à la décision. / Integrating industrialization constraints of composite materials into preliminary design is a major challenge for companies in terms of competitiveness, and is part of a sustainable development approach. Work on capturing and formatting industry knowledge has helped develop a design optimization strategy. This strategy is based on multidisciplinary rules, and estimates the technical and economic performance of an industrialization solution. This estimate is based on the evaluation of failure risk of component assembly, level of functional integration and manufacturing cost. The definition of the best alternative is obtained by comparing solution performances, relying on decision support methods and tools. The failure risk is estimated from differences between the characteristics of the part manufactured by Resin Transfer Molding Process (RTM) and the nominal part (CAD). The following characteristics of the manufactured part are taken into account: ? - geometric deviations, ? - characteristic mechanical deviations. In the aviation industry, some structural composite parts are manufacture by RTM. In this type of manufacture, the mechanical properties of the component are directly related to the level of preform impregnation. In this thesis, the impregnation defects are identified as volumic impregnation deviations. These deviations have the effect of altering the mechanical properties of material. Estimated volume impregnation deviations are obtained by analysing the results of the finite element simulation of resin flow into the fibrous reinforcement (software Pam RTM ®). The part geometry obtained using the RTM process differs from the nominal geometry, with the deviation due partly to differences between the physical components of the composite material. The geometric variations in the manufactured part are identified as geometric manufacturing deviations. These geometric deviations are offset, in the assembly phase, by deformations due to contact with adjacent parts, which generate a state of mechanical stress within the part. The mechanical stress state is quantified from a finite element thermomechanical simulation carried out using the Samcef ® software. Decision support is based on the combined study of the state of mechanical stress due to the compensation of geometric deviations and the incidence of volume impregnation deviations on the mechanical properties of the part. Three criteria are used to estimate the failure risk of the assembled component: a composite materials failure criterion quantifies failure risk; the other two criteria, taking into account the impregnation defects, increase the failure risk. To facilitate interpretation of results and the solution comparison phase, the failure risk is represented by mapping. Depending on the coupling values of the criteria, optimizing the design and/or industrialization is proposed. An evaluation of the level of functional integration and manufacturing cost complete the decision support process.

Zukünftige Hyperschalltransportsysteme unterliegen umfangreichen technischen, physikalischen, ökonomischen und ökologischen Anforderungen. Im Detail sind diese Anforderungen stark untereinander verknüpft und somit ist eine multidisziplinäre Behandlung bei einem Entwurf von Hyperschall-Konfigurationen notwendig. Mit Hilfe höherwertiger numerischer Verfahren, wie CFD und FEM, sowie wachsender parallelisierter Rechensysteme lässt sich der Hyperschall-Entwurfsprozess in einen multidisziplinären Optimierungsprozess (MDO-Prozess) überführen. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein neu entwickeltes Optimierungswerkzeug für den Vorentwurf von Hyperschall-Flugzeugen vorgestellt, welches die wichtigsten Aspekte der Aerodynamik, der Strukturmechanik, der Flugmechanik, der Antriebsintegration und der Missionsanalyse in einer multidisziplinären Analyse vereint. Alle Teilprozesse werden vollständig automatisiert und in den Analyseprozess integriert. Nach geometrischen Änderungen am Konfigurationsdesign erfolgt eine Aktualisierung des gesamten Entwurfs mit abschließender Leistungsbewertung. Die Funktionalität und Kapazität dieses MDO-Prozesses wird erfolgreich an einem existierenden Hyperschallentwurf, der HYCAT-1A, demonstriert. / Future hypersonic transport systems are characterized by extensive and strongly coupled technical, physical, economic and environmental requirements. Hence a multidisciplinary approach for preliminary design studies is necessary. Using high-fidelity numerical tools, e.g. CFD and FEM, on large-scale computer systems the hypersonic design process can be transformed into a multidisciplinary optimization process (MDO process). Thus in the present work a newly developed optimization tool is presented considering aerodynamic, structural, engine and mission characteristics. All sub-processes are integrated in a fully automated analysis environment. During the optimization the outer geometry is changed and all sub-processes are updated accordingly to evaluate the design performance. The functionality and possibilities of the developed MDO process are successfully shown on an existing hypersonic design, the HYCAT-1A configuration.

O σχεδιασμός και η ανάπτυξη μιας σύγχρονης αεροναυπηγικής κατασκευής περιλαμβάνει ως επιμέρους φάσεις (μεταξύ άλλων) τον αρχικό και τον προκαταρκτικό σχεδιασμό. Οι φάσεις αυτές έχουν ιδιαίτερη σημασία διότι εκεί δίνεται η αρχική μορφή και οι διαστάσεις της κατασκευής. Είναι γεγονός ότι η συμβατική σχεδίαση των βασικών δομικών στοιχείων των αεροσκαφών έχει φτάσει σε πολύ υψηλό επίπεδο βελτιστοποίησης που επιδέχεται πλέον μόνο μικρά περιθώρια περαιτέρω βελτίωσης. Οι σύγχρονες όμως απαιτήσεις των ελαφρών κατασκευών, όπως δραστική μείωση του βάρους, αύξηση του ωφέλιμου φορτίου κτλ. ωθεί τις αεροναυπηγικές βιομηχανίες στη δημιουργία δομών που ξεφεύγουν από τις παραδοσιακές (μη-συμβατικές δομές). Παράλληλα με τα παραπάνω γίνεται προσπάθεια για μερική αντικατάσταση μεταλλικών υλικών από σύνθετα υλικά στις πρωτεύουσες δομές αεροναυπηγικών κατασκευών. Για να σχεδιαστούν και να εξελιχθούν μη-συμβατικές αεροναυπηγικές δομές χωρίς να καταφύγει κάποιος σε εκτενείς πειραματικές δοκιμές, η σύγχρονη τάση είναι η ανάπτυξη και ο συνδυασμός προτύπων συμπεριφοράς στη λογική της εξομοίωσης των πειραματικών δοκιμών. Η εξομοίωση αυτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών και κατάλληλων μεθόδων βασισμένων στη θεωρία των πινάκων (Πεπερασμένα Στοιχεία, Συνοριακά Στοιχεία κλπ.). Στη φάση του αρχικού και προκαταρκτικού σχεδιασμού η εφαρμογή των μεθοδολογιών προσομοίωσης δεν είναι πάντοτε εύκολη και απλή, λόγω των πολλαπλών αλλαγών στη γεωμετρία, το υλικό και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες που πραγματοποιούνται στη δομή κατά την επαναληπτική διαδικασία του σχεδιασμού. Επομένως, η αποκλειστική χρήση αριθμητικών μεθόδων ανάλυσης καθίσταται αναποτελεσματική από άποψη χρονικών απαιτήσεων, αν δεν συνοδεύεται από αναλυτικές ή ημιαναλυτικές προσεγγίσεις επιμέρους προβλημάτων του σχεδιασμού. Βασικό μέρος του προκαταρκτικού σχεδιασμού μιας πτέρυγας μη συμβατικής δομής αποτελεί η αποφυγή της αστοχίας του άνω τμήματός της, διότι οι λεπτότοιχες ενισχυμένες με δοκούς πλάκες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή υφίστανται λυγισμό λόγω των θλιπτικών φορτίσεων που κυρίως παραλαμβάνουν. Η διαστασιολόγηση των σύνθετων πλακών που φέρουν δοκούς ενίσχυσης στις κατασκευές αυτές απαιτούν συνήθως πλήθος επαναληπτικών υπολογισμών για διαφορετικές γεωμετρίες, φορτίσεις, οριακές συνθήκες κλπ. Η εξέταση της κάθε περίπτωσης μεμονωμένα με τη χρήση αριθμητικών μεθόδων καθιστά την επίλυση ολόκληρης της κατασκευής εξαιρετικά χρονοβόρα. Για το λόγο αυτό, στη φάση της αρχικής θεωρητικής μελέτης και της αρχικής διαστασιολόγησης η χρησιμοποίηση αναλυτικών μεθόδων για την εύρεση του κρίσιμου φορτίου λυγισμού πλακών με δοκούς ενίσχυσης οδηγεί στην εξοικονόμηση υπολογιστικού κόστους. Επομένως, η ανάπτυξη αναλυτικών ή ημιαναλυτικών μεθόδων προσδιορισμού των φορτίων λυγισμού ενισχυμένων με δοκούς συνθέτων πλακών και κελυφών θεωρείται πολύ σημαντική. Για τον σκοπό αυτό, στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, αναπτύσσονται αναλυτικές και ημιαναλυτικές λύσεις για το λυγισμό πολύστρωτων πλακών ενισχυμένων με ενισχυτικές διαμήκεις δοκούς, οι οποίες ενσωματώνονται σαν κριτήρια στη μέθοδο διαστασιολόγησης της δομής. Η μεθοδολογία συμπληρώνεται με πλήθος άλλων κατάλληλων κριτηρίων για τον έλεγχο της αντοχής των δομικών στοιχείων της πτέρυγας καθώς και με κριτήρια για την επαναδιαστασιολόγηση των στοιχείων κατά την επαναληπτική διαδικασία της βελτιστοποίησης. Με τη μεθοδολογία που αναπτύσσεται διερευνούνται διατάξεις δομής πτερύγων από σύνθετα υλικά με πολυάριθμες κύριες δοκούς. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσονται αναλυτικές/ημιαναλυτικές λύσεις ολικού και τοπικού λυγισμού πλακών που φέρουν δοκούς ενίσχυσης. Όσον αφορά τον ολικό λυγισμό αναπτύσσεται μια μεθοδολογία που βασίζεται στη μαθηματική μετατροπή μιας πλάκας που φέρει δοκούς ενίσχυσης σε μια ισοδύναμη ομογενή πλάκα. Η αναπτυχθείσα μεθοδολογία ομογενοποίησης των ενισχυμένων πλακών εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις αντίστοιχες ήδη υπάρχουσες. Παράλληλα, η ενεργειακή μέθοδος Rayleigh-Ritz εφαρμόζεται για τη λύση προβλημάτων λυγισμού μερικώς ανισότροπων πλακών με ενισχυτικές δοκούς από σύνθετα υλικά, λαμβάνοντας διακριτά υπόψη τις ενισχυτικές δοκούς. Όσον αφορά το πρόβλημα του τοπικού λυγισμού, αναπτύσσεται μια νέα μεθοδολογία για την εύρεση των κρίσιμων φορτίων τοπικού λυγισμού λεπτότοιχης πλάκας με χρήση ενεργειακών μεθόδων. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την περίπτωση του τοπικού λυγισμού της επικάλυψης είναι η απομόνωση του τμήματος της επικάλυψης μεταξύ δυο ενισχυτικών δοκών και η αντικατάσταση της δυσκαμψίας της υπόλοιπης πλάκας με ελατήρια μεταβλητής δυσκαμψίας. Η μεθοδολογία αυτή επεκτείνεται και στον προσδιορισμό της μεταλυγισμικής συμπεριφοράς μιας πλάκας ενισχυμένης με διαμήκεις δοκούς. Οι παραπάνω μεθοδολογίες υπολογισμού του κρίσιμου φορτίου λυγισμού που αναπτύσσονται, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, εφαρμόζονται στη διαστασιολόγηση πτέρυγας μη συμβατικής δομής από σύνθετα υλικά με πολυάριθμες κύριες δοκούς, σε αντίθεση με τις συμβατικές πτέρυγες (με δύο κύριες δοκούς). Η ανάλυση τάσεων της πτέρυγας πραγματοποιείται με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Η τελική διαστασιολόγηση επιτυγχάνεται με επαναληπτική διαδικασία βελτιστοποίησης βασισμένη σε αναλυτικές και ημιαναλυτικές σχέσεις. Με τον τρόπο αυτό, συγκρίνεται λεπτομερώς η συμβατική δομή πτέρυγας με 2 κύριες δοκούς και οι αντίστοιχες πτέρυγες με 4, 5 και 6 κύριες δοκούς. Για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς της πτέρυγας, διερευνάται η επίδραση που έχει η αλλαγή των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού και των επιτρεπόμενων ορίων παραμόρφωσης στη δυνατότητα ελαχιστοποίησης της μάζας της πτέρυγας. Υπολογίστηκε ότι κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες η χρήση της μη συμβατικής πτέρυγας μπορεί να οδηγήσει σε μείωση μάζας μέχρι και 12%. / The design and development of a modern aerospace structure consists of many design stages. The most important stages are the conceptual and the preliminary where the initial sizing of the structure is obtained. It is known that the conventional design of the aircraft’s main structural members has reached a high optimization level, where margins for further improvement are small. The current demands of the lightweight structures such as weight reduction, payload increase etc. have led the aerospace industries develop unconventional structures and partially substitute the metallic materials of the primary structures with composites. The current trend of designing and evolving unconventional aerospace structures, without performing extended experimental tests, leads to the development of behavior models. The simulation of the experimental tests (through the behavior models) is achieved using high performance computers and numerical methods (Finite Element Method, Boundary Element Method etc). To apply simulation methods during the conceptual and preliminary stage is not an easy task. Most of the difficulties are the numerous geometrical, material parameters and the structural details that alter during the iterative process of the design. So, the exclusive usage of numerical analysis methods becomes very time consuming, if it is not accompanied by analytical or semi analytical methods of the sub-problems of the design. Part of the preliminary design of an unconventional wing structure is to prevent upper skin from failure. The stiffened panels that comprise the upper skin of the wing suffer from buckling due to the applied compressive loads. The sizing of the composite stiffened panels usually requires numerous of iterative calculations for various geometries, loading and boundary conditions etc. The examination of each case separately, with the use of numerical methods, results to time consuming analyses of the entire structure. Therefore, the development of appropriate analytical or semi analytical methods for estimating stiffened panels’ critical buckling load is of great importance. For this purpose, in the present thesis, analytical and semi analytical methodologies are developed for estimating the critical buckling load of stiffened panels. The developed methodologies are incorporated as design criteria in the sizing routine of the entire structure. The sizing routine comprises additional sizing criteria for checking the strength of wing’s structural members at each phase of the iterative process. Applying the developed sizing routine in various wing configurations made of composite materials, multispar wing designs are studied. Specifically, analytical and semi analytical methods for global and local buckling problems of stiffened panels are developed. The methodology of global buckling problems is based on the mathematical conversion of a stiffened panel to an equivalent homogeneous panel. The developed method of homogenization of stiffened panels appears to have significant advantages over the already existed homogenization methods. Additionally, the energy method Rayleigh-Ritz is applied for solving global buckling problems of stiffened panels with partial anisotropy considering discrete stiffeners. Regarding local buckling problems of stiffened panels, a new methodology is developed for estimating the critical local buckling load with the use of energy methods. The approach considers the stiffened panel segment located between two stiffeners, while the remaining panel is replaced by equivalent transverse and rotational springs of varying stiffness, which act as elastic edge supports. The buckling analysis of the segment provides an accurate and conservative prediction of the panel local buckling behavior. Consequently, the developed methodology is extended in the prediction of post-buckling response of stiffened panels where skin has undergone local buckling. The developed methodologies for calculating the critical buckling load are applied for sizing the wing members of an unconventional wing (multispar configuration) from composite materials. An efficient methodology based on fast Finite Element (FE) stress analysis combined to analytically formulated design criteria is presented for the initial sizing of a large scale composite component. A detailed comparison between optimized designs of conventional (2-spar) and three alternative wing configurations which comprise 4-, 5-, and 6-spars for the wing construction is performed. In order to understand the effect of different material properties, as well as the variation of maximum strain level allowed in the total wing mass, parametric analyses are performed for all wing configurations considered. It arises that under certain conditions the multispar configuration demonstrates significant advantages over the conventional design. This would lead to a mass reduction of 12%.