La recherche de configurations d’aéronefs plus efficaces mène les ingénieurs à explorer de nouveaux concepts tels que l’aile volante, l’aile haubanée ou l’aile en jointive. Contrairement à la configuration classique aile-fuselage, qui est bien connue et étudiée, le comportement en vol de ces nouveaux concepts d'avion est peu connu. Dans ce contexte, la conception, la construction et les essais de modèles à l'échelle aéroélastiquement semblables se présentent comme un moyen peu risqué d'acquérir des connaissances expérimentales sur ces nouveaux concepts. Un modèle aéroélastiquement semblable présente le même comportement aéroélastique (mis à l’échelle) que l’avion de référence à échelle réelle. En général, le même comportement aéroélastique implique de reproduire les mêmes déplacements pour des conditions du flux d’air données, ainsi que les mêmes vitesses de flottement ou de divergence statique mises à l'échelle. Pour résoudre le problème de similitude, l'approche est divisée en trois parties. Dans le premier cas, nous traitons le problème de similitude aéroélastique lorsque les paramètres de similitude du flux aérodynamique peuvent être complètement préservés. Dans cette situation, le problème consiste simplement à reproduire la réponse dynamique modale de l’aile mise à l'échelle en optimisant les propriétés de la structure et de la masse. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur l’optimisation du design de la forme de l’aile pour reproduire la réponse du flottement lorsque les paramètres de remise à l’échelle du flux aérodynamique ne peuvent pas être atteints. / The search for more efficient aircraft configurations leads designers to explore new concepts such as the blended wing body, the strut-braced wing, or the box wing. Unlike the classical wing-fuselage configuration, which is well known and understood, few is known about the in-flight behavior of these new aircraft concepts. In that context, the design, construction, and testing of unmanned aeroelastically scaled models presents itself as a low-risk means of acquiring experimental knowledge on these new concepts. An aeroelastically scaled model exhibits the same scaled aeroelastic behavior as the full-scale reference aircraft. Typically, the same aeroelastic behavior implies matching the displacements for some given scaled airflow conditions, as well as the scaled flutter or static divergence speeds. To address the similarity problem, we divide the approach in three parts. In the first one we deal with the aeroelastic similarity problem when the aerodynamic flow scaling conditions can be completely preserved. In that situation, the problem is reduced to simply matching the scaled modal dynamic response of the wing through optimization of the structure and mass properties. In the second part, we focus on the wing planform design optimization to match the flutter response when the airflow scaling parameters cannot be achieved.

La conception d'un système électrique de transport ferroviaire est une tâche complexe qui fait appel simultanément à des experts de domaines de compétence différents. Les constructeurs ferroviaires gèrent cette complexité ce qui leurs permet de fabriquer des équipements performants. Néanmoins, dans un marché global, tout gain méthodologique peut se traduire en avantage concurrentiel.<br /><br />La conception systémique optimale de composant électrotechnique est abordée dans cette thèse. Une chaîne de traction électrique est choisie comme exemple représentatif d'un système complexe. La démarche et les outils sont mis en œuvre sur deux applications: la conception d'un moteur de traction et la conception simultanée de plusieurs composants clés.<br /><br />Pour concevoir un moteur de traction, le cycle de fonctionnement et le comportement thermique transitoire sont primordiaux. La bonne adaptation du moteur à sa mission permet de réduire considérablement sa masse. L'approche multidisciplinaire est utilisée pour gérer les interactions entre modèles de disciplines différentes au sein d'un même processus d'optimisation. Suivant la méthode employée, le temps d'optimisation peut être réduit grâce à la répartition des taches par domaine physique et d'en paralléliser l'exécution. Des optimisations multiobjectif ont également été appliquées. Des fronts de Pareto sont obtenus malgré l'utilisation d'un modèle précis mais coûteux, le modèle éléments finis.<br /><br />L'approche décomposition hiérarchique de la méthode "Target Cascading" est appliquée au problème de conception de la chaîne de traction. Le système et ses composants sont conjointement conçus. Cette méthode est bien adaptée à la démarche de conception optimale des systèmes complexes, tout en respectant l'organisation par produit de l'entreprise.

La conception d'avions au stade avant-projet consiste à déterminer les principales caractéristiques d'un avion répondant à un cahier des charges donné. Ces études peuvent être résumées par des problèmes d'optimisation globale sous contraintes avec typiquement un millier de paramètres et presque autant de contraintes. Les contraintes expriment la faisabilité physique ainsi que le cahier des charges à respecter, et les objectifs sont des performances de l'avion guidées par des études de marché. De plus, le conception d'avions est un problème d'optimisation multicritère du fait de la présence de fonctions objectifs antagonistes.<br /><br />L'objectif de cette thèse est d'introduire de nouvelles méthodes mathématiques qui peuvent être utiles dans un outil de dimensionnement avant-projet pour résoudre le problème d'optimisation d'une configuration d'avion. Nous avons contribué à l'amélioration des méthodes d'optimisation qui sont couramment utilisées au département des Avant-Projets d'Airbus. En utilisant les algorithmes génétiques, nous avons rendu le processus d'optimisation monocritère plus robuste. Ensuite, nous avons introduit des méthodes d'optimisation multicritère car nous avions plusieurs critères conflictuels à considérer. Comme les temps de calcul sont devenus importants, nous avons décidé de substituer au modèle d'avion un modèle approché. Nous avons implémenté les fonctions à base radiale pour approcher les contraintes et les fonctions objectifs. Enfin, nous avons propagé les incertitudes du modèle pour estimer la robustesse des résultats de l'optimisation et nous avons proposé un aboutissement possible de l'intégration de ces techniques : donner aux ingénieurs une perception opérationnelle de l'espace de définition.

La conception de lanceurs est un problème d'optimisation multidisciplinaire (MDO) complexe qui a la particularité d'intégrer une optimisation de trajectoire très contrainte, difficile à résoudre et fortement couplée à toutes les autres disciplines entrant en jeu dans le processus de conception (e.g. propulsion, aérodynamique, structure, etc.). Cette thèse s'intéresse aux méthodes permettant d'intégrer judicieusement l'optimisation de la trajectoire au sein du processus d'optimisation des variables de conception. Une nouvelle méthode, appelée "Stage-Wise decomposition for Optimal Rocket Design" (SWORD), a été proposée. Celle-ci décompose le processus de conception suivant les différentes phases de vol et transforme le problème d'optimisation de lanceur multiétage en un problème de coordination des optimisations de chacun des étages, plus facile à résoudre. La méthode SWORD a été comparée à la méthode MDO classique (Multi Discipline Feasible) dans le cas d'une optimisation globale d'un lanceur tri-étage. Les résultats montrent que la méthode SWORD permet d'améliorer l'efficacité du processus d'optimisation, tant au niveau de la vitesse de recherche de l'espace de solutions faisables que de la qualité de l'optimum trouvé en temps de calcul limité. Afin d'améliorer la vitesse de convergence de la méthode tout en ne requérant pas de connaissance a priori de l'utilisateur au niveau de l'initialisation et l'espace de recherche, une stratégie d'optimisation dédiée à la méthode SWORD a été développée.

L'optimisation multidisciplinaire (MDO) à base de gradients est efficace et très utilisée pour le dimensionnement structural d'ailes flexibles. Cependant, dans le contexte de simulations numériques haute-fidélité, le calcul efficace des gradients reste un défi majeur. L'objectif de ce travail est d'étudier les approches les mieux adaptées aux spécificités du calcul de sensibilité des efforts aéroélastiques par rapport à des paramètres structuraux.Deux techniques de calcul de gradient haute-fidélité adaptées aux systèmes aéroélastiques fortement couplés sont proposées. La technique la plus intrusive repose sur les formulations directe et adjointe qui nécessitent un effort d'implémentation logicielle substantiel. Alternativement, nous proposons une approche découplée et non-intrusive, moins lourde à implémenter et cependant capable de fournir une approximation précise des gradients. Ces deux techniques ont été intégrées dans le logiciel CFD elsA de l'Onera.La précision, l'efficience et l'applicabilité de ces méthodes sont démontrées sur le cas-test avion de transport civil Common Research Model (CRM). Nous résolvons un problème inverse dont l'objectif est de retrouver, en conditions de vol de croisière, une loi cible de vrillage voilure. Ces deux méthodes s'avèrent comparables en matière de précision et de coût. Elles offrent ainsi une souplesse supplémentaire de mise en œuvre en fonction du niveau d'intégration recherché dans le processus MDO. / To improve the structural design of flexible wings, gradient based Multidisciplinary Design Optimization (MDO) techniques are effective and widely used. However, gradients calculation is not trivial and can be costly when high-fidelity models are considered. Our objective is to study different suitable approaches to compute gradients of aeroelastic loads with respect to structural design parameters.To this end, two high-fidelity aero-structure gradient computation techniques for strongly coupled aeroelastic systems are proposed. The most intrusive technique includes the well-established direct and adjoint formulations that require substantial implementation effort. In contrast, we propose an alternative uncoupled non-intrusive approach easier to implement and yet capable of providing accurate gradients approximations. Both techniques have been implemented in the Onera elsA CFD software.Accuracy, efficiency and applicability of these methods are demonstrated on the civil transport aircraft Common Research Model (CRM) test-case. More specifically, an inverse design problem is set up with the objective of matching an in-flight target twist law distribution. These two methods prove to be comparable in terms of accuracy and cost. Thus they offer additional operational flexibility depending on the level of integration sought in the MDO process.

Les planchers font partie des éléments indispensables dans la construction de bâtiments. L'utilisation de matériaux plus écoresponsables comme le bois ainsi que l'incorporation de mélanges de bétons verts innovants dans la construction de planchers composites permettraient non seulement d'obtenir des structures plus performantes, mais seraient également une façon simple pour le Canada de diminuer ses émissions de gaz à effet de serre. L'union du bois et du béton à l'aide de connecteurs aide à augmenter la résistance des planchers en utilisant le béton en compression et le bois en traction. Ces planchers composites permettent d'atteindre une grande portée tout en conservant une structure élancée. Ce mémoire se concentre sur l'amélioration des connecteurs d'entailles qui sont une solution simple et économique utilisée pour créer ce type de plancher. Ces connecteurs ont démontré qu'ils possèdent une grande rigidité initiale suivie d'une phase plastique très ductile. Plusieurs formes d'entailles ont été testées avec du bois lamellé-croisé (CLT) et différents types de béton. Une méthode d'optimisation de conception tenant compte des émissions de CO₂, de la hauteur totale, du coût ainsi que du poids du plancher composite a été développée. Ces essais en laboratoire ont démontré l'efficacité d'une forme de connecteur fermé éliminant l'utilisation de vis. Quant à la méthode d'optimisation, elle a permis de mettre en lumière les points forts et les points faibles des planchers composites et d'élaborer des pistes de solutions afin de les rendre plus compétitifs. Finalement, une analyse du cycle de vie préliminaire comparant les planchers composites, un plancher en béton armé et en CLT a été réalisée. Cette analyse a démontré l'avantage des planchers composites sur les constructions en béton et en bois uniquement. Cette étude a également permis de donner des pistes de solutions afin de diminuer les impacts environnementaux des différents types de planchers. / Floors are an essential part of building construction. The use of more sustainable materials such as timber and the incorporation of innovative green concrete mixes in composite flooring construction would not only result in better performing structures but would also be a simple way for Canada to reduce its greenhouse gas emissions. The combination of timber and concrete with connectors increase the strength of floors by using concrete in compression and timber in tension. These composite floors allow for longer spans while maintaining a slender structure. This thesis focuses on the improvement of notch connectors which are a simple and economical solution used to create this type of floor. These connectors have been shown to have a high initial stiffness followed by a very ductile phase. Several notch shapes were tested with cross-laminated timber and different types of concrete. A design optimisation method that considers CO₂ emissions, total height, cost, and weight of the composite floor was also developed. These experiments demonstrated the effectiveness of a closed shape connector that eliminates the use of screws. As for the optimisation method, it allowed us to highlight the strengths and weaknesses of composite floors and to develop solutions to make them more competitive. Finally, a preliminary life cycle analysis comparing composite floors, a reinforced concrete floor and a CLT floor was performed. This analysis demonstrated the advantage of composite floors over concrete and timber constructions only. This study also allowed us to identify possible solutions to reduce the environmental impacts of the different types of floors.

L'optimisation multidisciplinaire fait référence à la conception et l'optimisation de problèmes d'ingénierie nécessitant l'intervention simultanée d'au moins deux disciplines, chacune pouvant avoir plus d'un objectif à optimiser. Les méthodes usuelles n'abordent pas le cas où chaque discipline a un problème d'optimisation multiobjectif à résoudre. Des méthodes ont été récemment proposées, transformant le problème d'optimisation multidisciplinaire en un problème d'optimisation multiobjectif. Ces méthodes reposent sur des algorithmes évolutionnaires multiobjectifs. Cependant, l'ensemble des solutions obtenues ne reflète pas les préférences disciplinaires : des solutions peuvent être globalement efficaces alors qu'elles sont localement dominées. En nous basant sur les propriétés des relations d'ordre, nous proposons quatre définitions de compromis qui tiennent compte du regroupement des objectifs en disciplines. Les propriétés théoriques de ces compromis sont étudiées, et notamment leur capacité à converger vers l'ensemble de solutions attendues, lorsqu'ils sont utilisés avec des algorithmes évolutionnaires. Ces compromis sont intégrés dans un algorithme évolutionnaire multiobjectif. Des analyses expérimentales de cet algorithme sur les quatre compromis proposés sont effectuées. Elles confirment les prédictions théoriques et montrent la pertinence des solutions obtenues.

La conception d'un système électrique est une tâche très complexe qui relève d'expertises dans différents domaines de compétence. Dans un contexte compétitif où l'avance technologique est un facteur déterminant, l'industrie cherche à réduire les temps d'étude et à fiabiliser les solutions trouvées par une approche méthodologique rigoureuse fournissant une solution optimale systémique.Il est alors nécessaire de construire des modèles et de mettre au point des méthodes d'optimisation compatibles avec ces préoccupations. En effet, l'optimisation unitaire de sous-systèmes sans prendre en compte les interactions ne permet pas d'obtenir un système optimal. Plus le système est complexe plus le travail est difficile et le temps de développement est important car il est difficile pour le concepteur d'appréhender le système dans toute sa globalité. Il est donc nécessaire d'intégrer la conception des composants dans une démarche systémique et globale qui prenne en compte à la fois les spécificités d'un composant et ses relations avec le système qui l'emploie.Analytical Target Cascading est une méthode d'optimisation multi niveaux de systèmes complexes. Cette approche hiérarchique consiste à décomposer un système complexe en sous-systèmes, jusqu'au niveau composant dont la conception relève d'algorithmes d'optimisation classiques. La solution optimale est alors trouvée par une technique de coordination qui assure la cohérence de tous les sous-systèmes. Une première partie est consacrée à l'optimisation de composants électriques. L'optimisation multi niveaux de systèmes complexes est étudiée dans la deuxième partie où une chaîne de traction électrique est choisie comme exemple

Ce travail de recherche entre dans le cadre de la conception pluridisciplinaire de systèmes techniques. Son contexte est le processus support à l'optimisation en conception organique suivant l'approche d'Ingénierie Système. La problématique est l'affectation des variables et le choix de composants en tenant compte des possibilités de couplage entre les disciplines et des objectifs multiples à satisfaire. L'objectif poursuivi est un apport méthodologique et outillé pour l'aide à l'optimisation multiobjectif et multidisciplinaire. La contribution comporte deux volets principaux. D'une part, deux méthodes de recherche basées sur les méta-heuristiques permettent de déterminer rapidement un ensemble des solutions efficaces. D'autre part, l'application de méthodes de discrimination fournit aux concepteurs une aide à l'interprétation des ensembles de solutions efficaces dégagés dans la phase d'optimisation. Ces propositions sont illustrées par deux exemples de conception en robotique.

Envisagée à partir des 15 à 30 années à venir dans l'industrie aéronautique, la propulsion hybrideélectrique permet d'intégrer de nouvelles briques technologiques offrant des degrés de libertésupplémentaires pour améliorer les performances des aéronefs, limiter l'utilisation de ressourcesfossiles et réduire l’impact environnemental des avions. Aujourd'hui, la technologie hybrideélectrique est principalement appliquée aux transports terrestres, aux voitures, aux bus et auxtrains, mais aussi aux navires. La faisabilité pour le transport aérien doit encore être établie etl'amélioration des performances des aéronefs reste à démontrer. Cette thèse vise à évaluer lesgains énergétiques apportés par l'hybridation électrique d'un avion régional de 70 places. Toutd'abord, les opportunités d'économie d'énergie sont identifiées à partir de l'analyse desrendements propulsifs et aérodynamiques d'un avion bi-turbopropulsé conventionnel. Les gainspotentiels provenant de la variation de la taille des moteurs principaux et de nouvelles gestions depuissance par l'utilisation de batteries sont étudiés. De plus, les possibles améliorationsaérodynamiques émanant de nouveaux positionnements des hélices sont considérées. Pourchaque sujet, des analyses simplifiées fournissent une estimation d'économie d'énergie. Cesrésultats sont ensuite utilisés pour sélectionner quatre systèmes propulsifs électrifiés qui sontétudiés plus en détail dans la thèse: un hybride parallèle, un turboélectrique avec propulsiondistribuée, un turboélectrique partiel à hélices hypersustentatrices, et un tout-électrique.L'évaluation des avions hybrides électriques sélectionnés est d'autant plus difficile que ledimensionnement des différentes composants, les stratégies de gestion d'énergie et les profils demission que l'on peut imaginer sont nombreux et variés. En outre, le processus global deconception de l'avion et les outils d'évaluation doivent être adaptés en conséquence. L'outilinterne de conception par optimisation multidisciplinaire d'Airbus nommé XMDO, qui inclut laplupart des modifications requises, est finalement sélectionné et développé au cours de la thèse.Par exemple, de nouveaux modèles paramétriques de composants (voilure soufflée, moteurélectrique, turbine à gaz, hélice, etc...) sont créés, une formulation générique pour résoudrel'équilibre du système de propulsion est mise en place, et les modèles de simulation de décollageet d'atterrissage sont améliorés. Afin d'évaluer l'efficacité énergétique des avions hybridesélectriques, un avion de référence équipé d'un système propulsif conventionnel est d'abordoptimisé avec XMDO. Différents algorithmes d'optimisation sont testés, et la consistance de lanouvelle méthode de conception est vérifiée. Par la suite, les configurations hybrides électriquessont toutes optimisées selon les mêmes exigences de conception que l'avion de référence. Pourles composants électriques, deux niveaux de technologie sont définis selon la date d'entrée enservice de l'aéronef. Les résultats d'optimisation pour le turbo-électrique et le turbo-électriquepartiel sont utilisés pour mieux appréhender les gains aérodynamiques potentiels identifiés enpremière partie de thèse. Les optimisations pour l'hybride parallèle, comprenant différentsscénarios de recharge batterie, mettent en évidence les meilleures stratégies de gestion d'énergielorsque des batteries sont utilisées comme sources d'énergie secondaire. Tous les résultats sontfinalement comparés à la référence en termes de consommations de carburant et d'énergie, pourles deux niveaux de technologie électrique. La dernière partie de la thèse se concentre sur l'aviontout électrique. Elle vise à identifier l'énergie spécifique minimale requise pour les batteries enfonction de la distance maximale à parcourir. Une étude de sensibilité est également réalisée enfonction de la date d'entrée en service pour les autres composants électriques / Envisioned in the next 15 to 30 years in the aviation industry, hybrid-electric propulsion offers theopportunity to integrate new technology bricks providing additional degrees of freedom to improveoverall aircraft performance, limit the use of non-renewable fossil resources and reduce the aircraftenvironmental footprint. Today, hybrid-electric technology has mainly been applied to groundbased transports, cars, buses and trains, but also ships. The feasibility in the air industry has to beestablished and the improvement in aircraft performance has still to be demonstrated. This thesisaims to evaluate the energy savings enabled by electric power in the case of a 70-seat regionalaircraft. First, energy saving opportunities are identified from the analysis of the propulsion andaerodynamic efficiencies of a conventional twin turboprop aircraft. The potential benefits comingfrom the variation of the size of prime movers and the new power managements with the use ofbatteries are studied. Also, possible aerodynamic improvements enabled by new propellerintegrations are considered. For each topic, simplified analyses provide estimated potential ofenergy saving. These results are then used to select four electrified propulsion systems that arestudied in more detail in the thesis: a parallel-hybrid, a turboelectric with distributed propulsion, apartial-turboelectric with high-lift propellers and an all-electric. Evaluating the selected hybrid-electric aircraft is even more challenging that the sizing of the different components, the energymanagement strategies and the mission profiles one can imagine are many and varied. Inaddition, the overall aircraft design process and the evaluation tools need to be adaptedaccordingly. The Airbus in-house Multidisciplinary Design Optimisation platform named XMDO,which includes most of the required modifications, is eventually selected and further developedduring the thesis. For examples, new parametric component models (blown wing, electrical motor,gas turbine, propeller, etc…) are created, a generic formulation for solving the propulsion systemequilibrium is implemented, and simulation models for take-off and landing are improved. In orderto evaluate the energy efficiency of the hybrid-electric aircraft, a reference aircraft equipped with aconventional propulsion system is first optimised with XMDO. Different optimisation algorithms aretested, and the consistency of the new design method is checked. Then, all the hybrid-electricconfigurations are optimised under the same aircraft design requirements as the reference. Forthe electrical components, two levels of technology are defined regarding the service entry date ofthe aircraft. The optimisation results for the turboelectric and the partial-turboelectric are used tobetter understand the potential aerodynamic improvements identified in the first part of the thesis.Optimisations for the parallel-hybrid, including different battery recharge scenarios, highlight thebest energy management strategies when batteries are used as secondary energy sources. All theresults are finally compared to the reference in terms of fuel and energy efficiencies, for the twoelectrical technology levels. The last part of the thesis focuses on the all-electric aircraft, and aimsat identifying the minimum specific energy required for batteries as a function of the aircraft designrange. A trade study is also carried-out in accordance with the service entry date for the otherelectrical components