Dossier thématique 10 - juin 2013
Le projet OSYCAF
Optimisation d'un système couplé fluide-structure représentant une aile flexible
Pendant 3 ans, ce projet a réuni des chercheurs et ingénieurs de 4 laboratoires autour de deux objectifs majeurs. Il s'agissait d’abord de fédérer quatre laboratoires régionaux, UPS/IMT, Onera/DTIM, ISAE/ICA, et Cerfacs afin d'initier une réflexion sur des stratégies numériques et automatiques d'optimisation multidisciplinaire d'une aile d'avion dans un contexte industriel. Le travail consistait à concevoir une méthodologie de collaboration entre les disciplines mécanique des fluides et mécanique des structures afin notamment d'introduire de la flexibilité (au sens de l'architecture structurale) dans le processus de conception d'un avion. Le but était également de perfectionner les composants d'optimisation monodisciplinaire et de créer des outils transversaux pour permettre une convergence graduelle vers l'optimisation multidisciplinaire. Une telle méthodologie a déjà été initiée pour optimiser le design automobile (Toyata, Renault).
Aperçu sur les enjeux économiques et environnementaux
Le consortium européen "Advisory Council for Aeronautics Research in Europe" (ACARE), organisme qui définit un agenda de recherche stratégique pour l'aéronautique, a notamment publié deux rapports, "European Aeronautics: A vision for 2020" et "Flightpath 2050 - Europe's Vision for Aviation", disponibles à l'adresse http://www.acare4europe.org, qui s'attachent à répertorier les différents enjeux et besoins liés à l'aviation et proposer des orientations stratégiques pour les acteurs européens du secteur aéronautique. Le projet OSYCAF s'est inscrit dans cette dynamique en proposant des activités contribuant à deux axes principaux d'innovation.
Concernant l'innovation qualifiée d'évolution, lorsque aucun changement fondamental de principe n'est remis en cause, il s’est agi d'améliorer la performance d'avion civil de transport long-courrier, issu de l'évolution de concepts de ce type d'aéronef, pour réduire la consommation de carburant en diminuant la masse de l'appareil et sa traînée aérodynamique. Ainsi, le coût opérationnel direct de l'appareil devient plus attractif pour les compagnies aériennes.
L'autre facette du projet consistait à initier une réflexion sur l'optimisation multidisciplinaire qui est reconnue comme un des points clés de l'innovation qualifiée de rupture qui amène un saut technologique par un changement radical de vision. L’avènement de grands centres de calculs permet d'envisager des progrès dans ce domaine dans les prochaines années. Par ailleurs, des briques technologiques ont été développées pour servir à terme dans des outils numériques destinés à cette fin.
Le consortium européen "Advisory Council for Aeronautics Research in Europe" (ACARE), organisme qui définit un agenda de recherche stratégique pour l'aéronautique, a notamment publié deux rapports, "European Aeronautics: A vision for 2020" et "Flightpath 2050 - Europe's Vision for Aviation", disponibles à l'adresse http://www.acare4europe.org, qui s'attachent à répertorier les différents enjeux et besoins liés à l'aviation et proposer des orientations stratégiques pour les acteurs européens du secteur aéronautique. Le projet OSYCAF s'est inscrit dans cette dynamique en proposant des activités contribuant à deux axes principaux d'innovation.
Concernant l'innovation qualifiée d'évolution, lorsque aucun changement fondamental de principe n'est remis en cause, il s’est agi d'améliorer la performance d'avion civil de transport long-courrier, issu de l'évolution de concepts de ce type d'aéronef, pour réduire la consommation de carburant en diminuant la masse de l'appareil et sa traînée aérodynamique. Ainsi, le coût opérationnel direct de l'appareil devient plus attractif pour les compagnies aériennes.
L'autre facette du projet consistait à initier une réflexion sur l'optimisation multidisciplinaire qui est reconnue comme un des points clés de l'innovation qualifiée de rupture qui amène un saut technologique par un changement radical de vision. L’avènement de grands centres de calculs permet d'envisager des progrès dans ce domaine dans les prochaines années. Par ailleurs, des briques technologiques ont été développées pour servir à terme dans des outils numériques destinés à cette fin.
Cadre académique du projet
La conception industrielle d'une aile d'avion étant hors de portée dans le cadre d'un tel projet, un système simplifié a été considéré pour les expériences numériques de la preuve de concept. Il fait uniquement intervenir les disciplines de l'aérodynamique et des structures et une géométrie académique.
L'optimisation multidisciplinaire fait en effet intervenir plusieurs disciplines spécialisées qui ont historiquement été cloisonnées dans l'organigramme des entreprises. Actuellement, les étapes de conception comportent de nombreuses itérations entre des départements aux méthodes de travail parfois très différentes. Le couplage fort de phénomènes physiques et dans notre cas d'intérêt, l'introduction de matériaux composites qui engendrent une plus grande flexibilité de la structure de l'aile, incite à développer des méthodes alternatives pour reconsidérer les méthodologies actuelles.
La conception industrielle d'une aile d'avion étant hors de portée dans le cadre d'un tel projet, un système simplifié a été considéré pour les expériences numériques de la preuve de concept. Il fait uniquement intervenir les disciplines de l'aérodynamique et des structures et une géométrie académique.
L'optimisation multidisciplinaire fait en effet intervenir plusieurs disciplines spécialisées qui ont historiquement été cloisonnées dans l'organigramme des entreprises. Actuellement, les étapes de conception comportent de nombreuses itérations entre des départements aux méthodes de travail parfois très différentes. Le couplage fort de phénomènes physiques et dans notre cas d'intérêt, l'introduction de matériaux composites qui engendrent une plus grande flexibilité de la structure de l'aile, incite à développer des méthodes alternatives pour reconsidérer les méthodologies actuelles.
Approche collaborative et distribuée
La méthode d'optimisation multidisciplinaire choisie consiste en une approche multi-niveau, collaborative et distribuée.
L'optimisation multidisciplinaire naît de la nécessité d'optimiser des paramètres de systèmes résultant du couplage de plusieurs physiques, parfois stochastiques, qui ont souvent été développées de manière indépendante dans des processus industriels. Les plateformes traditionnelles d'optimisation de ces systèmes nécessiteraient la ré-écriture d'un modèle global couplé, chose très onéreuse, et les algorithmes d'optimisation classique demanderaient une grande puissance de calcul pour traiter le problème couplé.
La méthode d'optimisation multidisciplinaire choisie consiste en une approche multi-niveau, collaborative et distribuée.
L'optimisation multidisciplinaire naît de la nécessité d'optimiser des paramètres de systèmes résultant du couplage de plusieurs physiques, parfois stochastiques, qui ont souvent été développées de manière indépendante dans des processus industriels. Les plateformes traditionnelles d'optimisation de ces systèmes nécessiteraient la ré-écriture d'un modèle global couplé, chose très onéreuse, et les algorithmes d'optimisation classique demanderaient une grande puissance de calcul pour traiter le problème couplé.
Figure 1 : Exemple de méthode d'optimisation multidisciplinaire développé à l'IMT. Chaque discipline réalise ses propres optimisations (Cerfacs, Onera, ISAE).
La stratégie examinée dans le projet OSYCAF se base sur une approche multiniveau d'optimisation ou des optimisations par disciplines sont couplées par une optimisation sur les variables communes aux disciplines, ce dernier niveau jouant le rôle de chef d'orchestre. Il apparaît que la performance de la chaîne d'optimisation toute entière repose alors sur l'efficacité de l'optimisation des sous-systèmes et sur une stratégie adéquate d'orchestration de ces optimisations.
Optimisation à tous les niveaux
Chaque discipline a porté beaucoup d'attention à l'optimisation de son système respectif avec des méthodes de différentes natures suivant les objectifs recherchés. Dans le cadre du projet, tout un panel de méthodes a été développé. La méthode de haut niveau développée est une méthode de région de confiance utilisant des méta-modèles adaptatifs créés à partir des simulations numériques de chaque discipline. Chaque résultat fourni par les disciplines est lui-même le fruit d'un enchaînement de processus d'optimisation.
Dans le cadre de l'aérodynamique, un nouveau cadre a été mis en place pour résoudre à l'aide d'un algorithme d'optimisation à base de gradients une minimisation de type multi-missions multi-points avec la traînée intervenant dans la fonction objectif et la portance dans les contraintes d'égalité. Dans le cas où les sensibilités par rapport aux paramètres de conception ne sont pas disponibles, des algorithmes dits "sans dérivés", qui supplantent sur des batteries de tests les techniques connues à ce jour ont été mis en œuvre.
Figure 2 : Formes d'une configuration aile-fuselage issues de calculs CFD classique (en trait noir) et aéroélastique (en trait rouge) réalisés au Cerfacs. La flexion et la torsion, nettement visibles en bout d'aile, témoignent du couplage fluide/structure (Avec l'aimable participation de François Gallard).
Dans le cadre des structures, des algorithmes évolutionnaires couplés à des métamodèles adaptatifs ont été étudiés pour la conception de panneaux composites à fibres courbes et donc pour l'optimisation structurale d'un caisson en composite. D'autre part, des méthodes ont été développées pour prendre en compte les contraintes de fiabilité avec un coût limité dans le processus d'optimisation.
Figure 3 : Caisson métallique optimisé à l'ISAE
Perspectives en MDO
Nuls doutes que les outils développés dans le cadre du projet OSYCAF seront employés par la suite comme briques de base pour élargir les perspectives en optimisation multidisciplinaire. Cet élargissement pourrait passer par le développement d'une plateforme (MDO/MDA) dans le cadre de l'IRIT AESE, une option largement plaidée par AIRBUS. Toutes les questions qui restent en suspens ne peuvent pas être énumérées ici mais l'extension à d'autres disciplines (qualité de vol, charges, motorisation, etc) en est une. La formulation du problème lui-même est cruciale et peut varier au cours du processus de conception au fur et à mesure de l'acquisition des connaissances sur le produit.
De nombreux défis restent à relever!