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%.

Dans la continuité des travaux de recherches sur les systèmes de transmission mécanique embarqués, l’objectif de cette thèse est double : approfondir les modèles d’estimations des pièces d’un Actionneur Electromécanique (EMA) et étendre la vision transversale de la conception préliminaire aux aspects dynamiques. En effet, cette recherche permet, lors de la conception préliminaire basée sur les modèles, d’adapter les choix d’architectures et de technologies vis-à-vis des performances statiques et dynamiques à atteindre. Les modèles développés à partir des lois d’échelles sont étendus et exploités afin de modéliser les pièces élémentaires de l’EMA et de faire ressortir les règles de « bonnes pratiques » en conception préliminaire. On s’intéresse en particulier au dimensionnement des EMAs dans le domaine aéronautique. Dans un premier temps, nous avons donc créé des modèles d’estimation et des métamodèles des pièces de l’EMA. A cet effet, il est décomposé en carter et pièces élémentaires qu’il intègre.Dans un second temps, nous avons établis des règles de bonne conception et des pistes de dimensionnement de l’actionneur asservi en position. Contrairement aux recherches antérieures, qui se centraient sur le dimensionnement en puissance, nous avons pris en compte la synthèse de la commande pour établir ces règles. A partir de modèles de simulations, nous qualifions et quantifions l’influence des défauts (inertie et saturations, élasticité/jeu, frottement) sur les performances limites de l’EMA. En effet, les structures de commande usuelles et le choix des éléments de contrôle-commande sont intimement liés aux performances dynamiques et à ces défauts. Enfin, afin de se doter de moyens d’essais pour identifier finement un modèle de frottement dans des conditions aéronautiques de température, un banc d'essai sur le réducteur Harmonic Drive a été conçu et mis en œuvre. Il permet également d’amorcer la validation des règles de bonne conception / In the continuity of work of research on embedded systems of mechanical transmission, this these has two objectives: to improve estimation models of Electromechanical Actuator (EMA) pieces and to extend the cross-cutting vision of preliminary design to the dynamic aspects. Indeed, in the preliminary design based on models, this research should allow to adapt the choice of architectures and technologies to static and dynamic performance to achieve. The models developed from the scaling laws will be extended and exploited to modelize elementary pieces of the EMA and to highlight rules of "good practices" in preliminary design. We focus in particular on the design of EMA in aeronautic field. In the first time, we developed estimations models and métamodèles of elementary components of EMA which was decomposed in housing and elementary pieces.In a second time, we established rules of good practices for actuator sizing in control position loop. Contrary to older researches, we take into account control synthesis to create these rules. From simulations models, we quantified the influence of technological defects of components (inertia and saturations, elasticity (backlash), friction) on EMA performances. Indeed, the usual command structures and the choice of the elements of control are intimately linked to the dynamic performance and these defects.Finally, to give test way to identify with accuracy a friction model in aeronautical conditions of temperature, a test bench of Harmonic Drive was create, integrated and implemented. It allows booting the validation of rules of good practices in preliminary design.

L'objectif de cette thèse est de fournir des méthodes et outils numériques dédiés à la conception préliminaire de systèmes multi-physiques, avec une attention particulière quant à l'évaluation des transferts thermiques mis en jeu dans les actionneurs et les systèmes électriques embarqués. Ce besoin émane de la recherche industrielle actuelle menant au développement de l'avion plus électrique ("More Electrical Aircraft " - MEA), qui met en œuvre de nouvelles technologies de systèmes embarqués où la gestion thermique de tels dispositifs est primordiale. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthodologie basée sur l'analyse dimensionnelle et les modèles de substitution pour générer des modèles analytiques à partir de simulations éléments finis. De plus, une méthodologie de génération de plans d'expériences optimaux adaptée à l'utilisation du formalisme adimensionnel est également proposée. Dans un deuxième temps, deux approches numériques permettant de réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème et d'étudier leur significativité physique sont proposées. La première approche utilise l'analyse de sensibilité d'une façon originale pour mettre en avant la significativité des nombres adimensionnels du problème considéré. La deuxième approche fait appel à des algorithmes d'optimisation pour réduire le nombre de variables adimensionnelles d'un problème. Enfin, les méthodes proposées ont été appliquées avec succès pour modéliser les composants d'un actionneur électromécanique d'aileron (moteur électrique de type brushless, carter mécanique), et d'un convertisseur de puissance électrique (condensateur, inductance, dissipateur) utilisé dans le contexte aéronautique. / The objective of this thesis is to develop methods and tools dedicated to the preliminary design of multi-physical systems, with a particular attention to the thermal modelling of actuators and embedded electrical systems. This need arises from the current industrial research which led to the More Electrical Aircraft program (MEA), which deals with new technologies of embedded systems where the thermal management of such devices is essential. First of all, this thesis proposes a methodology based on dimensional analysis and surrogate modelling technique to generate analytical models from finite element simulations. Furthermore, a methodology for constructing optimal design of experiments intended for building surrogate models using dimensionless variables is also proposed. Finaly, two numerical approaches which enable to reduce the number of dimensionless variables of a problem and to study their physical significance are proposed. The first approach uses sensitivity analysis in an original way to highlight the physical significance of the dimensionless numbers for a considered problem. The second approach uses optimization algorithms to reduce the number of dimensionless variables. In the second part of the thesis, the proposed methods were successfully applied to model several components of an electromechanical actuator (EMA) of an aileron (electrical brushless motor, mechanical housing, etc.), and of a power converter (capacitor, inductance, heatsink) used in an aeronautical context.

This diploma thesis deals with a design of the coach station in option A-River of the Brno railway hub. The aim of the thesis is alternative design of the coach station configuration located under the bridge of the new passenger’s railway station. Furthermore, the proof of coach station Zvonařka preservation has been given in accordance with the estate road system change in relation with the new railway infrastructure development. The preliminary design is processed in four options. The complement of this thesis is a traffic survey.

Rocket propulsion using the hybrid-propellant scheme is a technology that offers much promise in applications where high-performance liquid rocket engines are deemed too complex and solid rocket motors are considered to lack performance or safety. However, despite extensive research, there is still a lack of knowledge in the theoretical aspects of hybrid rocketry, especially in the area of fuel-oxidizer mixing and fuel regression rate. This lack of a good theoretical model makes the implementation of good, practical solutions and mature, well-functioning designs more diffcult. This disadvantages the hybrid rocket engine when compared to liquid rocket engines or solid rocket motors.In this study, a hybrid rocket engine burning polymethyl methacrylate (PMMA) with compressed air has been designed to the point of a preliminary design defnition. PMMA is a transparent material, and this has been utilized to create a transparent-chamber rocket engine where engine processes can be studied with various optical methods withoutinterrupting or disturbing the operation of the engine. The function of hybrid rocket engines, the technological solutions involved in designing working hybrid rocket engines and the constituent parts of hybrid rocket engines have been studied. The nature of the trade-offs between performance and simplicity that occur when designing a rocket engine are also studied, with a focus on maximizing simplicity, safety and minimizing expenses, while still designing an engine that fulfills basic requirements. The results include a design defnition with a preliminary user’s guide, a feasibility study, and a summary of the results of the hybrid rocket performance model that was used to determine appropriate design parameters.

Les phases préliminaires du processus de conception sont celles qui influencent le plus le résultat. Elles sont caractérisées par l’incertitude : le processus ne peut être précisément défini à l’avance. L’approche Design Thinking est particulièrement adaptée pour gérer cette spécificité. L’introduction de supports numérique pendant ces phases de conception préliminaire a été identifiée comme une piste de recherche à fort potentiel. L’analyse de ces phases amont a permis de définir des postulats à partir desquels construire ces nouveaux supports numériques. Ces dispositifs sont constitués de deux surfaces tactiles, multi-utilisateurs ; une orientée horizontalement pour favoriser le foisonnement, l’autre orientée verticalement pour favoriser la focalisation. Par conséquence, ces plateformes ont été identifiées avec l’acronyme HOVER (HORizontale VERticale). La méthodologie de recherche comporte deux phases. Lors de la première phase, des expérimentations ont permis de comparer les dispositifs numériques avec les dispositifs actuels. Cette phase avait pour objectif de déterminer si les dispositifs numériques étaient acceptables dans la situation d’usage préconisée. Lors de la deuxième phase, les dispositifs numériques ont été testés dans des situations de travail réelles, afin de déterminer s’ils améliorent ces situations de travail. Ces expérimentations, ont été faites sur une spécifique plateforme HOVER, dénommés plateforme TATIN-PIC (Table Tactile Interactive –Plateforme Intelligente de Conception), construite à l’Université de Technologie de Compiègne. Les quatre expérimentations de la première phase ont révélées un niveau d’acceptabilité satisfaisant. En outre, cette phase permis d’identifier plusieurs pistes d’amélioration notamment au niveau des interactions homme-machines. La prise en compte des données collectées lors de cette phase a conduit à la conception d’une nouvelle version des dispositifs numériques. Cette nouvelle version, dénommée plateforme Digital Project Space (DPS), a été utilisée pour tester le dispositif dans des situations d’utilisation réelles. Les résultats de ces tests préliminaires montrent que les utilisateurs sont satisfaits des améliorations apportées par la plateforme DPS, et que ses performances, sont au pire, comparable aux meilleures prestations des supports papier actuellement disponibles. Des tests complémentaires sont néanmoins nécessaires pour avoir des résultats généralisables. Les perspectives sont de continuer la dissémination des dispositifs DPS dans la sphère productive afin d’obtenir des données quantitatives sur l’efficacité et l’efficience. L’objectif étant d’identifier des modèles prescriptifs de l’impact des dispositifs sur le processus de conception préliminaire. / The early preliminary phases of the design process are the most impactful on the final outcomes. However, they are ill defined, the path to follow is not clear. Design-thinking approaches are a good solution to tackle the incertitude of these phases. The introduction of computer tools during these phases has been identified as an interesting research path to explore. Through the analysis of these early preliminary design phases, a list of high-level assumptions has been made. These high-level assumptions delimited the perimeter of action for the design of a new kind of computer supported design platforms. These platforms are composed of two multi-touch, multi-users surfaces; one is horizontal to favor divergent thinking, while the other is vertical to favor convergent thinking. By this fact, I identified them with then name “HOVER” (HORizontal - VERtical) platforms. The preconized research methodology has two steps. The first step consists in the experimental comparison of the new tool with existing ones. The aim of this evaluation is to determine if HOVER platforms are applicable to the situation for which they have been designed. The second step consists in ethnographic observations of real case studies to establish if HOVER platforms have successfully improved the existing situation. This study has been conducted on a specific HOVER platform, the TATIN-PIC platform (French acronym for Table Tactile Interactive – Plateforme Intelligente de Conception) built at the Université de Technologie de Compiègne. The first step, composed of four quasi-experimental observations, showed a satisfying level of applicability. Besides, it provided multiple indications for the improvement of the HOVER platforms regarding Human Machine interactions. For example, it has confirmed the need for an interconnected vertical and horizontal surface, the need for a natural manipulation of intermediary objects, the need for a smooth circulation among design methods and, as well, the need for new design methods to be implemented. Thanks to these indications, a second version of a HOVER platform has been made. This improved platform, called Digital Project Space (DPS) platform, has been used for success evaluation in a real context. From these preliminary tests emerged that users are satisfied by the support of the DPS platform. Performances are in the worst-case scenario, as good as actual tools. Further and more accurate real case studies are needed to generalize these findings. This outlines the future perspectives, such as the definition of prescriptive models of the impact of such device on the early preliminary design phases. / Le fasi preliminari del processo di progettazione sono caratterizzate dall’incertezza, sia in termini di conoscenza che di azioni da compiere. Al contempo, pero, sono le fasi cruciali per il risultato globale del processo di progettazione. L’approccio Design Thinking è particolarmente adatto per le caratteristiche di queste fasi. L’introduzione di strumenti digitali durante il processo di progettazione preliminare è stata identificata come una pista di ricerca interessante da esplorare. L’analisi di queste fasi ha permesso di emettere una lista di postulati su cui progettare nuovi strumenti digitali. Questa classe di strumenti ha le sembianze di una piattaforma composta da due superfici tattili multi-utilizzatore; una è orizzontale per favorire il pensiero divergente, mentre l’altra è verticale per favorire il processo convergente. A causa di ciò, abbiamo deciso di identificare queste piattaforme con l’acronimo HOVER (HORizontal and VERtical). Il forte divario in termini di curva d’apprendimento tra i dispositivi esistenti (principalmente basati su carta) e le piattaforme HOVER, ha richiesto la definizione di una metodologia di ricerca adeguata. Questa metodologia ha inoltre il compito di garantire un rigore metodologico nell’approccio di ricerca. Due fasi di questa metodologia sono state eseguite. Nella prima fase, il nuovo dispositivo è comparato sperimentalmente con i dispositivi esistenti al fine di determinare se è applicabile alla situazione per cui è stato concepito. Nella seconda fase, il dispositivo è valutato in una situazione reale al fine di determinare se ha apportato, con successo, un miglioramento alla situazione esistente. Questi studi sono stati condotti su una specifica HOVER platform chiamata TATIN-PIC (acronimo francese per Table Tactile Interactive – Plateforme Intelligente de Conception), progettata e construita all’Université de Technologie de Compiègne. La prima fase, che ha visto quattro esperimenti, ha mostrato un livello di applicabilità soddisfacente, ha inoltre fornito molteplici piste di miglioramento in termini d’interazione uomo macchina. Grazie a questi feedback una seconda versione del dispositivo è stata creata. Tale versione, chiamata piattaforma Digital Project Space (DPS) è stata utilizzata per testare il successo del dispositivo in situazioni di reale utilizzo. Da questi test preliminari è emerso che gli utilizzatori sono rimasti soddisfatti dell’apporto fornito dal dispositivo, e che le performance sono nel caso peggiore equivalenti alla situazione attuale. Ulteriori e approfondite osservazioni di uso in situazioni reale sono necessarie per avere dei riscontri generalizzabili. Questo traccia gli scenari per il futuro; continuando la disseminazione nell’ambito industriale del dispositivo, sarà possibile ottenere dei riscontri quantitativi in termini diefficienza ed efficacia, grazie ai quali, estrapolare dei modelli prescrittivi dell’impatto del dispositivo sul processo di progettazione preliminare.