Dans le cadre des futures missions d'exploration planétaire comportant un atterrissage, la sélection d'un site d'atterrissage sécuritaire en temps réel devient une technologie de plus en plus recherchée. Celle-ci permet d'augmenter les retombées scientifiques de la mission en donnant accès à des régions à plus haut potentiel scientifique. Elle permet aussi d'accroître les chances de réussite de la mission et d'augmenter la charge utile des équipements en rendant l'atterrissage plus sécuritaire. Parmi les méthodes développées pour faire la sélection d'un site d'atterrissage, celle proposée par Andrew Johnson du Jet Propulsion Laboratory pour évaluer le degré de sécurité de sites d'atterrissage à partir d'images lidar prises pendant la descente s'avère très intéressante. Il utilise une technique nommée moindres carrées médians pour calculer la pente et la rugosité des sites d'atterrissage. Cependant, le temps de calcul exigé par cette approche la rend difficile à exécuter en temps réel. Ce mémoire de maîtrise propose l'utilisation d'un système à base de RNA (réseaux de neurones artificiels) pour faire l'approximation de la méthode des moindres carrés médians. Une architecture comportant quatre RNA a été développée afin de déterminer la pente et la rugosité d'un site d'atterrissage. Trois RNA permettent d'évaluer les paramètres du plan médian afin d'estimer ces deux propriétés du terrain. Un réseau optionnel est spécialisé pour l'évaluation des sites comportant une grande rugosité. Des modules de prétraitement et post-traitement des données sont utilisés pour améliorer la performance des réseaux de neurones et des modules d'arbitrage servent à déterminer les deux sorties du système. Une solution est aussi proposée pour présélectionner une zone d'atterrissage sécuritaire afin de réduire le nombre de sites individuels à évaluer. Plusieurs types de réseaux de neurones ont été comparés pour résoudre la problématique. Des lignes directrices ont été établies permettant de choisir les réseaux de neurones les plus efficaces pour chacun des modules en fonction du temps de calcul disponible. Le système développé permet de diminuer considérablement le temps de calcul requis pour résoudre la problématique. De plus, la solution proposée peut facilement être adaptée en fonction des objectifs de la mission spatiale.

Dans les recherches réalisées pour ce projet de thèse, il est démontré qu’une traverse existante de train d’atterrissage d’hélicoptère à patins fabriquée par pliage et érosion chimique, pourrait être remplacée par une autre traverse, dont la forme innovante est fabricable par le procédé d’hydroformage de tubes. Ce procédé présente par exemple l’avantage d’être plus respectueux de l’environnement que le procédé de fabrication actuel, car il ne nécessite pas l’utilisation de produits chimiques polluant. De plus, la méthodologie développée dans le cadre des recherches réalisées permet de prendre en compte l’histoire du matériau de la traverse dans toutes les étapes de son processus de fabrication. Les performances d’un train d’atterrissage équipé de la nouvelle traverse ont été évaluées numériquement. Des travaux, développés avec le logiciel de calculs par éléments finis ABAQUS, ont permis de mettre en évidence l’intérêt d’utiliser des éléments finis de coque solides fiables et précis. Ces éléments sont en effet capables de prendre en compte le comportement dans l’épaisseur de structures minces avec une seule couche d’éléments. Une nouvelle technique de lissage appelé «Smoothed finite element method» ou «SFEM» a retenu l’attention pour sa simplicité de mise en œuvre et son insensibilité à la distorsion de maillage parfois rencontrée dans les simulations de formage de formes complexes. Un élément de coque solide résultant linéaire développé en utilisant cette méthode SFEM pour traiter de la cinématique en membrane et en flexion a été testé avec succès au travers d’exemples classiques identifiés dans la littérature. Ce nouvel élément a montré un niveau de précision souvent supérieur à celui d’autres éléments déjà existants. En outre, un élément de coque solide à intégration réduite, capable de fonctionner avec la plupart des lois de comportement en trois dimensions et cela même en présence de structures minces a été développé. Cet élément, libre de tout blocage a montré un bon niveau de précision par rapport aux éléments existants dans le cas de problèmes implicites géométriquement linéaires et non-linéaires. L’élément a été étendu en formulation explicite puis couplé avec une loi de comportement hyper élastoplastique en trois dimensions. Il a enfin été testé dans une simulation d’hydroformage de tubes en présence de pressions élevées, de frottement et de grandes déformations. / In the current work, it is shown that an existing helicopter skid landing gear cross tube, made by tube bending and chemical milling, could be replaced by another cross tube, whose innovative shape is producible by tube hydroforming. This method has for example the advantage of being more environmentally friendly than the current manufacturing process, because it does not require the use of hazardous chemicals. In addition, the methodology developed in this project takes into account the cross tube material’s history throughout the manufacturing process. Moreover, the performance of a skid landing gear equipped with this new cross tube has been evaluated numerically. This thesis simulation work has been developed with the finite element analysis software ABAQUS. It highlights the potential gains of using a reliable and accurate solid-shell finite element which is capable to take into account the through-thickness behavior of thin structures with a single layer of elements. A new smoothing technique called «Smoothed finite element method» or «SFEM» has been considered for its simplicity and insensitivity to mesh distortion, sometimes encountered while simulating complex shapes forming. A new resultant linear solid-shell element using this SFEM to deal with membrane and bending kinematics has been developed and successfully tested through classical benchmark problems found in the literature. This new element has often shown much greater level of accuracy than other existing elements. In addition, a novel reduced integration solid-shell element, able to work with most three dimensions constitutive laws even in the presence of thin structures is also discussed. This element, free of locking, shows a good accuracy level with respect to existing elements in implicit geometrically linear and non-linear benchmark problems. Its extension to explicit formulation is coupled with a three dimensions hyper elastoplastic constitutive law and tested in a tube hydroforming simulation involving high pressures, friction and large deformations.

Le transport aérien des marchandises et de personnes est devenu un des piliers de notre société mondialisée. Néanmoins, la croissance du secteur aéronautique a accentué les problèmes liés aux hauts niveaux sonores émis par les aéronefs. Dans le cadre de la réduction du bruit produit par les trains d’atterrissage en phases d’approche et d’atterrissage, cette thèse a pour but de proposer une méthodologie numérique précise et efficace permettant de prédire un tel bruit. Elle est basée sur l’utilisation du code Navier-Stokes CEDRE développé à l’ONERA mettant en œuvre des maillages non-structurés de haute qualité ainsi qu’un modèle de turbulence de type Zonal Detached Eddy Simulation. Cette démarche a été validée grâce au cas LAGOON, notamment à partir de deux simulations réalisées durant cette thèse, avec l’obtention de résultats très précis (moins de 1dB d’écart avec la mesure expérimentale des niveaux de bruit intégrés) avec un coût de calcul très raisonnable. Par la suite, cette méthodologie a été appliquée à un cas plus complexe, le PDCC, représentatif d’un train d’atterrissage réel. Une nouvelle fois, les résultats obtenus notamment les niveaux de bruit sont très précis, comme c’était le cas pour LAGOON. Ces bons résultats sont obtenus pour des choix différents : pour le PDCC des lois de paroi ont été utilisées en plusieurs endroits de la géométrie, dans le but de réduire encore plus le coût de calcul, tandis que dans le cas LAGOON, les couches limites ont été résolues à l’aide d’un maillage dédié. Finalement, la nature des sources acoustiques présentes dans le train LAGOON a été aussi étudiée. Pour cela, une simulation numérique d’un écoulement se développant autour d’une roue isolée du train a été réalisée afin d’identifier les mécanismes physiques responsables de la réponse tonale de la cavité, observée lors de la campagne expérimentale sur le train à 2 roues. Cette étude peut être aussi considérée comme celle d’une cavité installée soumise à un écoulement rasant non-uniforme. Les résultats obtenus sont comparés avec succès à ceux issus de la littérature du bruit de cavité. / In a globalized world, air transportation of goods and persons has become an important pillar of our societies. However, the growth of this sector has raised an important issue, the high noise associated. In the framework of reducing the noise emitted by aircraft at approach and landing, and more precisely the noise emitted by the landing gear, this thesis aims to provide an accurate and efficient numerical methodology enabling to predict such noise. It is based on the use of ONERA’s in house Navier-Stokes code CEDRE coupled with the use of high quality unstructured meshes and a Zonal Detached Eddy Simulation turbulence model. This procedure has been developed thanks to the LAGOON test case, of which two simulations were performed during this thesis, obtaining very accurate results (less than 1dB of error in the OASPL results compared to the experimental measurements) at a moderated cost. In the following, it was applied to a more complex case, the PDCC, representative of a realistic landing gear. Once again, the results obtained were very accurate as was the case for LAGOON, even if an important difference existed between the two cases: for the PDCC, wall functions were used for several geometrical parts, aiming to decrease even more the cost of the simulation while all the boundary layers developing over the LAGOON case were completely solved with a devoted grid. Finally, the nature of the acoustic sources present in the LAGOON landing gear was also addressed. At this end, a simulation was carried out over an isolated wheel, aiming to identify the mechanisms underlying the tonal response of these cavities observed during the LAGOON experimental campaign. This study can be considered as the study of an installed cavity submitted to a non uniform grazing flow, and its analysis relied on comparisons with the results obtained on common cavities from literature.

Les avions légers sont conçus pour être utilisés dans les zones reculées d'un pays, où les infrastructures de transport sont inadéquates ou inexistantes. Ils peuvent atterrir sur différents types de piste (glace, gravier, sable, gros cailloux...). Le problème principal de ces avions est le défaut d’absorption d’énergie cinétique à l’atterrissage, bien qu'une partie des énergies de choc soit absorbée par les pneumatiques sous-gonflés. Des chocs et des rebonds peuvent se produire mettant en péril la sécurité de l’avion et des passagers. Le but de ce travail est de développer un outil numérique qui permet de modéliser les trains d'atterrissage, de prévoir leur réponse dynamique dans des conditions extrêmes, et de comparer leur capacité à dissiper l’énergie à la rencontre des obstacles. Étant donné son rôle primordial dans l'absorption des chocs, une étude expérimentale est dédiée à la caractérisation du pneumatique de brousse. Cette étude permet de construire un modèle éléments finis détaillé du pneumatique en prenant en compte la géométrie et la structure matérielle complexe. Une deuxième partie est consacrée à la modélisation numérique de quatre systèmes de trains d'atterrissage (existants ou proposés). De nombreuses simulations de roulement sont réalisées afin d'étudier, d'une part l'influence des conditions de roulement et l'influence de la taille et de la forme de l'obstacle d'autre part. L'analyse des amplitudes des efforts et des rebonds transmis à l'avion au cours du roulement permet d'évaluer les réponses dynamiques des différents trains et de comparer leur efficacité de dissipation / Light aircraft, such as bush planes, are designed for use in undeveloped areas of a country where transport infrastructure is inadequate or non-existent. They can land on different types of runways (ice, gravel, sand, big stones ...). The main problem with these aircraft is the lack of kinetic energy absorption at landing, although some of the shock energy is absorbed by the underinflated tires. Hard landing conditions such as shocks and rebounds may occur and endanger the safety of the aircraft and passengers. The aim of this work is to develop an efficient numerical tool for studying landing gear systems, predict their dynamic response in extreme conditions, and compare their energy dissipation. Given its primary role in shock absorption, an experimental study is dedicated to the characterization of the bush tire. Then, a detailed finite element model of the tire is developed, taking into account real geometry and material specificities. A second part is devoted to the numerical modeling of the different systems of landing gears (existing and proposed). Combined finite elements with structural elements are used. Thus, stress, deformation and energy within landing gears components could be obtained. Multiple dynamic rolling simulations are carried out in order to study, not only the influence of the rolling conditions (such as rolling velocity, tires inflation pressure, etc.), but also the influence of the size and the shape of obstacles. Systems' transient responses while rolling over ramp are evaluated, as well as the efforts and rebound displacements transmitted to the aircraft. A dissipation efficiency comparative study between the landing gears is conducted

L’usage des outils de modélisation numérique dans la simulation des différents procédés de mise en forme est, de nos jours, un incontournable. L’industrie du forgeage, avec des logiciels de calcul et simulation très avancés tels que Forge ou Abaqus utilisés dans de nombreuses études et thèses, est en mesure d’assurer un bon contrôle des paramètres (paramètres procédé et paramètres matériau), ce qui permet la production de pièces de haute qualité, à géométrie complexe et très compétitives. La simulation numérique avec l’aide de méthodes appropriées comme ALE (Arbitrairement Eulérien Lagrangien) et SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) qui seront abordées dans le rapport, permet de réduire considérablement le temps et les coûts grâce aux procédés d’optimisation et de prototypage virtuel. Avec l’intégration des lois de comportement adaptées pour chaque cas dans les processus de mise en forme et le contrôle des paramètres du procédé, la simulation offre des résultats d’une grande précision pour des procédés tels que l’usinage et le forgeage, qui fait l’objet de notre étude. En partenariat avec Héroux-Devtek, notre travail porte sur la simulation de la mise en forme d’une composante d’un train d’atterrissage d’avion en aluminium par forgeage à chaud à matrices fermées. Cette étude nécessite une bonne compréhension de la cinématique des outils et des propriétés du matériau avant et lors de la mise en forme. Pour cela, une étude paramétrique pour vérifier l’importance de chaque paramètre sur les résultats finaux sera effectuée. Les logiciels de simulation utilisés sont Abaqus explicite et Ls-dyna. Les différentes analyses effectuées dans cette étude ont permis de développer une méthodologie d’analyse ainsi qu’une première bonne approximation de la mise en forme de la composante du train d’atterrissage et d’identifier les paramètres permettant de mieux contrôler le procédé et d’améliorer les résultats de simulation. Mots-clés : Forgeage à chaud, ALE, SPH, MEF, aluminium, train d’atterrissage / The use of numerical modeling tools in the simulation of different methods of forming is nowadays a must. The forging industry, thanks to advanced calculation and simulation softwares such as Forge or Abaqus used in many studies and theses, can take advantage of good control settings (process and material parameters) that enable the production of high quality pieces, with complex geometry and highly competitive. Numerical simulation with the help of appropriate methods as ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) that will be addressed in the report , can significantly reduce the time and costs through process optimization and virtual prototyping. With the integration of material laws adapted for each case during the forming process and the control of process parameters, simulation results are highly accurate for processes such as machining and forging, which is the subject of our study. In partnership with Héroux-Devtek, our work focuses on the simulation of the manufacturing of an aircraft landing gear component in aluminum by hot closed-die forging. This study requires a good understanding of the kinematics of tools, and material properties before and during the forming process. Thus, a parametric study to test the importance of each parameter on the final results will be done. Simulation softwares that will be used are Abaqus explicit and Ls-dyna. The analyses conducted in this study were used to develop an analysis methodology, to find a good first approximation of the forging simulation of the component of the landing gear and to identify parameters that allow for better simulation results. Keywords: Hot forging, ALE, SPH, FEM, aluminum, landing gear

Le présent travail concerne l’intégration de la modélisation du matériau et du procédé dans le design et l’optimisation d’une composante de train d’atterrissage d’avion fabriquée par forgeage à chaud en collaboration avec la société Héroux-Devtek. Pour mener à bien cette tâche, un travail d’investigation des différents aspects du matériau, du procédé et des techniques de modélisations numériques a été effectué. Une caractérisation des propriétés mécaniques et métallurgiques de l’alliage d’aluminium 7175 sous différentes conditions a été réalisée, ce qui a conduit à une meilleure connaissance du comportement de cet alliage notamment dans les conditions de forgeage. Le modèle de comportement de Johnson-Cook a été caractérisé et utilisé pour les simulations des différents cas d’analyse. Une investigation au niveau de l’intégration de l’effet de la microstructure dans le modèle de comportement a été faite. Cette étude a conduit à considérer le modèle de Johnson-Cook modifié qui a la particularité de prendre en compte les effets de la recristallisation dynamique dans le modèle d’écoulement du matériau. Une meilleure précision est obtenue en comparaison avec le modèle de Johnson-Cook standard pour des simulations impliquant de hauts niveaux de déformation. De plus, une investigation au niveau des plus récents outils de simulation a été effectuée. Une étude comparative des formulations CEL (Couplage Eulérien-Lagrangien) et SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) vis-à-vis de la méthode classique des ÉF (éléments finis) a permis de classifier les différentes approches selon leurs performances relatives lors des simulations du forgeage de pièces complexes en grandes transformations (écoulement de matière très important). Pour pouvoir utiliser la formulation SPH interne à Abaqus dans le cas de couplage thermomécanique, il a fallu développer un VUMAT («user ’s material») thermomécanique. Une contribution a été apportée au niveau de la méthode SPH pour la simulation plus précise du forgeage, d’abord en extensionnant un code SPH maison afin qu’il puisse résoudre des problèmes thermomécaniques couplés en grandes déformations et ensuite en transformant le code SPH en un élément de l’usager («user’s element») via l’utilitaire VUEL d’Abaqus en formulation Lagrangienne totale. En guise de validation, nous avons réalisé des travaux autant de nature numérique qu’expérimentale. Au niveau numérique, les résultats obtenus avec le code maison ont été validés par comparaison avec les résultats obtenus avec le code commercial Abaqus. Par ailleurs afin d’atteindre l’objectif principal d’intégration de la modélisation du matériau et du procédé, une méthodologie d’analyse appropriée a été développée et validée expérimentalement en concevant et en fabriquant par forgeage, un prototype représentatif de la pièce industrielle. Mots-clés : Forgeage à chaud, train d’atterrissage, caractérisation, alliages d’aluminium, Johnson-Cook, recristallisation dynamique, Abaqus, ÉF, CEL, VUMAT, VUEL SPH, formulation Lagrangienne totale, code SPH. / The present work deals with the development of an integrated material and process modeling methodology for the design and optimization of an aircraft landing gear component manufactured using hot forging process in collaboration with Héroux-Devtek. To carry out this work, an investigative work of the different aspects of the material, process and numerical modeling techniques is performed. A characterization of mechanical and metallurgical properties of the aluminum alloy 7175 under various conditions has been done and the work allowed to better know the behavior of this alloy particularly in our forging conditions. The Johnson-Cook constitutive model was characterized and used for simulations of various processes analysis. An investigation about the integration of the effect of the microstructure in the material behavior law was realized. This study led one to consider a modified Johnson-Cook model that can take account of the effects of dynamic recrystallization during the material flow. A greater accuracy was obtained in comparison with the standard Johnson- Cook model for simulations involving high strain levels. An investigation about the simulation tools was also performed. A comparative study of CEL (Coupling Eulerian-Lagrangian) and SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) formulation with the finite elements method (FEM) allowed to classify the different methods according to their performance in the simulations of complex forged part involving large deformations (very important material flow). To use the SPH formulation existing in Abaqus for the simulation of coupled thermomechanical problems, it was first necessary to develop a thermomechanical VUMAT (user’s material) subroutine. For more accurate simulation of forging process, a contribution was made regarding the SPH method. To do this, an independent in-house SPH code and an ABAQUS VUEL (user’s element) subroutine based on the total Lagrangian formulation of solid mechanic’s equations were developed. For validation purposes, both numerical investigations and experimental works were accomplished. Regarding the numerical simulation, the results obtained with the in-house code were validated by comparing them with results obtained using the Abaqus FE commercial code. Moreover, in order to achieve the main objective of integrated material and process modeling for the product design, a suitable methodology was developed and validated experimentally by designing and manufacturing by the closed die hot forging process, a representative prototype of the industrial part. Keywords: Hot forging, landing gear, aluminum alloys, Johnson-Cook, dynamic recrystallization, Abaqus, FE, CEL, VUMAT, VUEL SPH, total Lagrangian formulation, SPH code.

Le train d’atterrissage est une structure assurant le mouvement de l’avion en vol-sol et sol-vol pour laquelle beaucoup de travaux restent encore à compléter afin d’avoir une structure performante, durable et qui demande moins de maintenance. Ce travail de recherche est effectué dans le but de contribuer à la modélisation avancée et au développement d’un outil de simulation dynamique d’un train d’atterrissage à amortissement oléopneumatique. Le développement d’un modèle mathématique est réalisé à cet égard, et ce dernier essaie de reproduire le fonctionnement physique d’un système train d’atterrissage en particulier celui de l’amortisseur. L’amortisseur d’un train d’atterrissage est une structure complexe composée de plusieurs sous-ensembles ayant des rôles complémentaires et qui aide l’avion à amortir les chocs pendant l’atterrissage, le roulage et le décollage de l’avion. La structure d’un amortisseur oléopneumatique est constituée des plusieurs chambres contenant du gaz ou un fluide hydraulique. Cependant la structure interne de l’amortisseur demande beaucoup de connaissances physique et technique afin de bien comprendre sa conception interne et externe. Les pneumatiques sont aussi pris en compte dans le modèle et elles sont caractérisées par deux modèles à savoir un basé sur ADAMS/Aircraft et un autre modèle développé en éléments finis sur ABAQUS. Ces aspects sont réunis dans un code numérique développé dans VBA dans un but de caractériser, modéliser et simuler un train d’atterrissage. / Although an aircraft landing gear has a well-known role of allowing the aircraft to complete its movement during landing, taxiing and takeoff, some works are still required today in order to obtain an efficient, more reliable and environmentally friendly landing gear structure. The scope of this project is to develop a numerical simulator of an aircraft landing taking into account the dynamic of the landing gear and the internal design of the shock strut. Landing gear design can be affected by phenomena such as sudden temperature variations as well as extreme temperatures. This can change the behavior of the hydraulic fluid of the shock strut. This work will be conducted by developing a mathematical model computer code in VBA that describes the landing gear physical function. The role of a landing gear shock strut is to absorb the kinetic energy during the landing, taxiing and takeoff phases of the aircraft. The landing gear shock strut is an assembly of different chambers that have a well-defined role. These chambers contain a gas and a hydraulic fluid and work together to provide the force required to maintain the system. These aspects are combined in a numerical code developed with VBA. In this project the effect of the tires was taken into account and characterized using two different models (finite elements and analytical model) using two different numerical tools (Abaqus and Adams). The scope is to compare and see how the two models are able to describe the energy absorption process.