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Le résultat de notre recherche est un logiciel opérationnel de formation en mécanique des structures. L'exploitation optimale des possibilités de la micro-informatique nous a conduits à mener une réflexion approfondie dans le domaine de la structuration et de la transmission des connaissances en mécanique. En nous fondant sur notre expérience d'étudiant, d'enseignant et d'ingénieur, nous avons adopté une philosophie de développement fondée sur l'approche progressive théorique et pratique des problèmes mécaniques, cherchant sans cesse à provoquer la curiosité, l'intérêt et la créativité de l'utilisateur. Le logiciel en couleurs starcolor constitue une application en vraie grandeur de cette philosophie, traitant, en une trentaine d'heures de cours, les calculs statistiques de structures de poutres et coques, les calculs en fatigue et les méthodes numériques. The outcome of our research is an operational software, whose purpose is training in structure analysis. The optimum utilization of personal computers has needed a careful study of organization and communication of knowledge in mechanics. Using our experience as a student, teacher and engineer, we have worked out a philosophy of development, based on a progressive theoretical and practical approach of mechanical problems; under all circumstances, we have attempted to arouse the user's curiosity, interest and creativity. The STARCOLOR colour software represents a "full scale application" of this philosophy, dealing with static analysis of beams and shells structures, fatigue analysis and numerical methods, in a thirty hours course.

La conception d'un nouvel avion est initiée durant la phase avant-projet. Dans un premier temps, les concepteurs d’aéronefs identifient un ensemble de concepts potentiels pouvant répondre aux exigences du client en s’appuyant sur des informations fournies par les spécialistes disciplinaires et experts système. Ensuite, les solutions sont évaluées via un processus de dimensionnement basé sur une analyse multidisciplinaire. Dans le domaine des avions de transport civil, les objectifs ambitieux en termes de consommation de carburant amènent à étudier des configurations innovantes incluant de nouvelles technologies. Cependant, peu de données sur de telles architectures sont disponibles dans les phases amont de la conception. Ainsi, afin d'éviter une sélection ou élimination erronnée d'une solution, un objectif clé de la recherche en conception d'aéronefs est l’ajout de connaissances dans l'analyse multidisciplinaire. Aujourd’hui, cet objectif est atteint avec différentes approches: application d’optimisations multidisciplinaires, ajout de précision grâce aux analyses haute fidélité, introduction de nouvelles disciplines ou systèmes et enfin, gestion de l'incertitude. Le rôle du concepteur est alors de combiner ces options dans un processus de conception multidisciplinaire afin de converger vers le concept le plus performant tout en répondant aux contraintes de certification. Afin d’illustrer ce processus, l’optimisation d'un avion de transport avec assistance au sol pour le décollage qui a mis en évidence l'impact des contraintes de certification sur la conception du véhicule a été effectuée. La revue successive des textes réglementaires et de recherches associées de la gestion du trafic aérien ont conclu à la nécessité d’inclure des simulations au sein de l’analyse multidisciplinaire. Tenant compte de ces conclusions, la recherche effectuée dans le cadre de cette thèse propose alors d’ajouter des connaissances en développant l’analyse et l’optimisation de la conception multidisciplinaire avec un nouveau module de contrainte de certification et des fonctionnalités de simulation complètes. Développé dans le cadre de la thèse, le module de contraintes de certification (CCM) a été utilisé pour résoudre quatre problèmes d’optimisation associés à un avion de transport civil classique basé sur l’outil de dimensionnement ONERA / ISAE-SUPAERO appelé FAST. Grâce à l'interface utilisateur du CCM, un gain de temps au niveau de la mise en place de ces optimisations a constaté. De plus, les résultats ont confirmé la nécessité de définir au mieux et dès que possible les contraintes de certification. Pour atteindre des capacités de simulation complètes, l'analyse multidisciplinaire au sein de FAST a été améliorée. Premièrement, l'outil d'analyse aérodynamique a été modifié afin de générer la base de données complète pour alimenter un modèle à 6 degrés de liberté. Ensuite, un nouveau module de calcul des propriétés d'inertie a été ajouté. Enfin, le simulateur open source JSBSim a été utilisé avec différentes lois de contrôle pour augmenter la stabilité et permettre la navigation automatisée. La comparaison entre les trajectoires de vol obtenues avec FAST et les données réelles sur les avions enregistrées avec une antenne ADS-B a confirmé la validité de l'approche. The design of a new aircraft is initiated at the conceptual design phase. In an initial step, aircraft designers, disciplinary and subsystems experts identify a set of potential concepts that could fulfill the customer requirements. To select the most promising candidates, aircraft designers carry out the sizing process through a Multidisciplinary Design Analysis. Nowadays, in the field of civil transport aircraft, environmental constraints set challenging goals in terms of fuel consumption for the next generations of airplanes. With the “tube and wing” configuration offering low expectations on further improvements, disruptive vehicle concepts including new technologies are investigated. However, little information on such architectures is available in the early phases of the design process. Thus, in order to avoid mistakenly selecting or eliminating a wrong concept, a key objective in Aircraft Design research is to add knowledge in the Multidisciplinary Design Analysis. Nowadays, this objective is achieved with different approaches: implementation of Multidisciplinary Design Optimization, addition of accuracy through high fidelity analyses, introduction of new disciplines or systems and uncertainty management. The role of the aircraft designer is then to combine these options in a multidisciplinary design process to converge to the most promising concept meeting certification constraints. To illustrate this process, the optimization of a transport aircraft featuring ground based assistance has been performed. Using monolithic optimization architecture and advanced structural models for the wing and fuselage, this study emphasized the impact of certification constraints on final results. Further review of the regulatory texts concluded that aircraft simulation capabilities are needed to assess some requirements. The same need has been identified in the field of Air Traffic Management that provides constraints for aircraft operations. This research proposes then to add knowledge through an expansion of the Multidisciplinary Design Analysis and Optimization with a new Certification Constraint Module and full simulation capabilities. Following the development of the Certification Constraint Module (CCM), its capabilities have been used to perform four optimization problems associated to a conventional civil transport aircraft based on the ONERA / ISAE-SUPAERO sizing tool called FAST. Facilitated by the Graphical User Interface of the CCM, the setup time of these optimizations has been reduced and the results clearly confirmed the necessity to consider certification constraints very early in the design process in order to select the most promising concepts. To achieve full simulation capabilities, the multidisciplinary analysis within FAST had to be enhanced. First, the aerodynamics analysis tool has been modified so that necessary coefficients for a 6 Degrees-of-Freedom model could be generated. Second, a new module computing inertia properties has been added. Last, the open source simulator JSBSim has been used including different control laws for stability augmentation and automated navigation. The comparison between flight trajectories obtained with FAST and real aircraft data recorded with ADS-B antenna confirmed the validity of the approach.

Les charges dynamiques transmises par le rotor au fuselage, par les vibrations qu’elles génèrent, dégradent la durée de vie des composants et le confort des passagers. Une méthode prometteuse mais encore non exploitée par les hélicoptéristes consiste à introduire des couplages flexion-torsion au sein des pales de façon à modifier les efforts aérodynamiques instationnaires qui les sollicitent. Cette thèse étudie l’apport des couplages aéroélastiques sur les charges dynamiques. Pour cela, un modèle aéroélastique de rotor isolé est développé. Le modèle élastique est basé sur l’association de la formulation par repère flottant à la méthode des modes prescrits. La base de déformation considérée est issue de modèles éléments-finis hautes précisions. Le comportement aérodynamique du rotor est décrit à partir d’un modèle de vitesse induite multi-harmonique ainsi qu’un modèle de portance basé sur la théorie de l’élément de pale. Le modèle aéroélastique est validé par comparaison avec un logiciel de calcul aéromécanique (HOST) ainsi que par comparaison avec des résultats expérimentaux issus d’essais en vol. Dans un second temps, une étude de l’influence des paramètres de définition du rotor sur les charges dynamiques est réalisée. Pour finir, des couplages flexion-torsion sont introduits sur la pale à partir de l’anisotropie des pales composites ou encore de masses non structurelles déportées par rapport au centre de torsion des sections. Une étude analytique de ces couplages est réalisée, puis le modèle aéroélastique complet est utilisé pour évaluer leur apport sur les charges dynamiques transmises par le rotor. Des réductions significatives sont observées, démontrant ainsi le potentiel de cette technique et ouvrant la voie à des études expérimentales. Vibrations generated by dynamic loads transmitted from rotor to fuselage degrade components’ life and passenger comfort. A promising method not yet exploited in helicopters is introducing flexural-torsional couplings on the blade to correct unsteady aerodynamic forces. To assess this method, an isolated rotor aeroelastic model is elaborated. The elastic model combines the floating frame approach with the prescribed mode method. The modal basis stems from high precision finite element models. The rotor’s aerodynamic behaviour is described using a multi-harmonic induced velocity model and the blade element method. The aeroelastic model is validated first through comparison with software aeromechanics calculation (HOST) and experimental results from flight tests and second through a study of the influence of aerodynamic parameters on rotor dynamic loads. Finally, bending-torsion couplings are made on the blade by introducing anisotropy of the composite blades or non-structural mass offset relative to the sections centre of torsion. An analytical study of these couplings is performed, followed by a full aeroelastic modelling to evaluate their contribution to dynamic loads transmitted by the rotor. Significant reductions are observed, demonstrating the potential of this technique and paving the way for experimental studies.

La prochaine génération de télescopes spatiaux devra repousser les limites des technologies actuelles afin d’accroitre les performances techniques et opérationnelles. Dans le cas d’observations difficiles, l'utilisation de plus grandes ouvertures des miroirs primaires est essentielle pour obtenir la résolution optique et la sensibilité requises. Toutefois, les grandes ouvertures primaires induisent un certain nombre de défis techniques tels que la masse, le volume et la raideur du miroir. La masse et le volume doivent rester acceptables par rapport au lanceur et la raideur du miroir, qui diminue avec l’augmentation du diamètre du miroir, doit être suffisante afin que les performances ne soient pas altérées par les déformations statiques et dynamiques. Pour surmonter ces limitations, des configurations de miroirs déformables comportant des éléments de contrôle actifs sont étudiées pour les futurs télescopes spatiaux. Les actionneurs piézoélectriques, qui répondent aux exigences de puissance massique et de bande passante, peuvent être utilisés comme éléments de contrôle actifs intégrés dans la structure de miroir. Toutefois, ces actionneurs montrent en fonctionnement en boucle ouverte des comportements non linéaires indésirables, comme le fluage et l'hystérésis, qui peuvent conduire à des inexactitudes indésirables et limiter les performances des systèmes. Par conséquent, pour les miroirs déformables activés par des actionneurs piézoélectriques, la compensation des non linéarités dans les actionneurs piézoélectriques est indispensable. La conception d’un miroir léger, compact et déformable à raideur adéquate est un défi très important pour les télescopes spatiaux mais n'est pas abordée dans cette thèse. Cette thèse porte sur le contrôle de surfaces de miroirs déformables actionnés par des actionneurs piézoélectriques et en particulier sur la compensation du fluage et de l'hystérésis dans les actionneurs piézoélectriques. La technologie de miroir actif étudié (avec des pieds activés, type miroir fakir) requiert un grand nombre d’actionneurs afin de tenir les exigences en termes de planéité de surface et ne permet pas un contrôle en boucle fermée de chaque actionneur (ce type de contrôle est trop exigeant en nombre de capteurs). La compensation du fluage et de l’hystérésis est donc réalisée en boucle ouverte et s’appuie sur des modèles précis des non linéarités à compenser et sur l’implémentation de modèles inverses. Un support d’étude expérimental a été élaboré au cours de la thèse afin de valider les études théoriques par des résultats expérimentaux. Il représente une partie d’un miroir de grande taille et consiste en une plaque de verre circulaire de diamètre 300mm dont la surface peut être actionnée par 7 actionneurs piézoélectriques annulaires. Les premières chapitres de la thèse concernent l’étude de la compensation en boucle ouverte du fluage et de l’hystérésis dans un seul actionneur qui est alors considéré comme un système SISO (single input – single output). Dans le dernier chapitre de la thèse, le fluage et de l’hystérésis sont compensés dans 3 actionneurs simultanément, ceux-ci formant un système MIMO (multi input – multi output). Les apports de la thèse concernent le développement de nouveaux modèles directs et inverses de fluage et d’hystérésis qui ont été validés par des expérimentations réalisées dans un contexte difficile de par la faible étendue des amplitudes de déplacement ( de l’ordre du micromètre). The next generation of space-based observation systems will make use of larger primary mirrors to achieve higher image resolution. Large primary mirrors lead to the increase of structural flexibility and are more susceptible to distortions. Thus maintaining optical tolerances across the mirror surface becomes increasingly difficult. The techniques of active shape control may be required for spatial mirror surfaces in future space observation systems. Piezoelectric actuators are often studied as embedded elements for the active control of mirror structures due to their excellent properties. However, unwanted nonlinear effects in piezoelectric actuators, i.e., hysteresis and creep, severely limit the service performance. This thesis aims at developing openloop control laws to compensate hysteresis and creep effects in piezoelectric actuators. The studies led during this thesis are applied to the shape control of spatial mirror surfaces. An experimental setup with a small-scale mirror test structure involving multiple piezoelectric actuators is first developed and is used as support for all the measurements conducted during this thesis. Then the open-loop control methodologies of creep compensation, hysteresis compensation, and simultaneous compensation of both the nonlinear effects in a single piezoelectric actuator are respectively developed. To compensate creep, a nonlinear viscoelastic model is used to portray creep, and a new inverse model of creep based on the concept of “voltage relaxation” is proposed Regarding the hysteresis compensation, the classical Preisach model is modified by adding a derivative term in parallel to describe hysteresis more accurately with relatively few measurements, and the new inverse model is constructed in the similar way. For the simultaneous compensation of the two nonlinear effects, the hysteresis is first compensated and then, the creep of the hysteresis-compensated piezoelectric actuator is attenuated by open-loop control. The methodology is first developed for a single actuator. Finally, the shape control of a mirror surface with several piezoelectric actuators is achieved by actuating the points on the mirror surface in such a way as to reach the required displacements. The mirror test structure involving multiple piezoelectric actuators compensated in hysteresis and creep is considered as a linear system on which the superposition principle can be applied. The influence coefficients characterizing the coupling effect between the piezoelectric actuators are determined by measurements. The influence coefficient matrix is first constructed using the superposition principle, and is then inverted. By insertion of the inverse matrix in cascade with multiple piezoelectric actuators with hysteresis and creep compensation, a feed-forward control approach to actuate the multiple interesting points of the mirror surface is developed. A number of experimental results demonstrate that the developed control methodologies are effective and feasible in practice.

Dans le domaine aéronautique les structures sont soumises à de la fatigue sonique due aux phénomènes aéro-acoustiques. Le dimensionnement statique actuel des avions composites couvre les cas de charge en fatigue. Mais avec le besoin de toujours plus réduire la masse de l’avion et l’augmentation des connaissances dans le comportement matériau, les marges statiques vont être réduites dans un futur proche et la propagation par fatigue deviendra un enjeu majeur. Il sera donc nécessaire d’évaluer la possibilité de propagation d’un délaminage dû à une erreur de fabrication ou un impact dans une structure composite. Dans ce contexte, une méthode a été proposée pour étudier la propagation de délaminage sous chargement vibratoire. Tout d’abord, des essais de caractérisation de la propagation de délaminage sous chargement vibratoire ont été mis en place et validés pour les deux principaux modes de rupture. Les effets induits par la fréquence élevée de sollicitation, auto-échauffement induit et vitesse de chargement élevée, ont été pris en compte dans la mise au point et le traitement de ces essais. Ensuite, des outils numériques ont été développés pour permettre la simulation d’une structure délaminée sous chargement vibratoire et l’étude de la propagation du délaminage. A l’aide des approches expérimentales et numériques mises en place et des données matériau identifiées, l’analyse a pu être conduite sur un cas réel de structure aéronautique. Un essai de fatigue vibratoire sur une structure de reprise de plis a ainsi été réalisé. L’évolution du délaminage pendant l’essai est représenté de façon satisfaisante par le modèle numérique. Because of their lightness, stress adaptive design and strong stiffness, composite materials are more and more used in aeronautics. Aeronautical structures are submitted to vibrations during their service life due to aerodynamic turbulent flow around the structure. The current static design of composite aircraft covers fatigue loading cases. But with the need to more and more lighten the structure, and the knowledge increase in material behavior, the static reserve factors will be reduced in the near future and sonic fatigue will become a major issue. It will be necessary to evaluate the possibility of a delamination propagation in a composite structure due to a manufacturing error or to an impact. In this context, a method has been proposed to study the propagation of a delamination under vibratory loading. Firstly, tests to characterize the propagation of delamination under vibration loading have been developed and validated for the two main failure modes. The effects induced by the high frequency loading, self-heat generation and high speed loading, were considered in the elaboration of these tests and in the data reduction. Then, numerical tools have been developed to allow the simulation of a delaminated structure under vibratory loading in order to study the delamination propagation. Using experimental and numerical approaches and the material data identified, the analysis could be conducted on a real case of aircraft structure. A vibration fatigue test on a ply-drop structure has been achieved. The evolution of delamination during the test is adequately modelized by the numerical model.

Dans la cochlée, la réponse couplée de sa structure et de son fluide interne peut être représentée sous la forme d’une onde dont les caractéristiques varient en fonction de la position longitudinale. La méthode asymptotique Wentzel-Kramers-Brillouin est adaptée à la modélisation de ce type d’onde. Dans un premier temps, cette méthode est reprise. Un modèle numérique est également développé et les résultats des deux méthodes sont comparés. Dans un deuxième temps, la métohde Wentzel-Kramers-Brillouin est améliorée afin de prendre en compte le couplage entre plusieurs ondes. Le couplage d’un mode propagatif avec des modes évanescents est réalisé et validé. Dans la cochlée, la stimulation des cellules cillées résulte d’un mouvement de cisaillement de la membrane tectoriale et de flexion de la membrane basilaire. Le couplage entre ces deux modes de déformation est encore peu connu et offre une perspective intéressante. Dans un troisième temps, une nouvelle méthode couplant la méthode Wentzel-Kramesr Brillouin et une méthode numérique est développée et validée afin de déterminer des modes transverses de propagation. Cette méthode est appliquée à la mécanique cochléaire et un mode de flexion de la membrane basilaire et un mode relatif à un mouvement de cisaillement de la membrane tectoriale sont déterminés. Enfin, une expérience inspirée des cochlées artificielles est conçue et réalisée. La propagation d’ondes est observée et la tonotopie est mesurée et comparée aux modèles. Afin de limiter la réflexion des ondes et de faciliter la mesure, une combinaison originale du trou noir acoustique avec une lame de largeur variable est utilisée. The cochlea is the organ of hearing for humans and mammals. It is often modelled as an inhomogeneous waveguide. A travelling wave propagates along the fluid structure coupled waveguide. The mechanical impedance of the structure is varying and provides a frequency place relation. The asymptotic method Wentzel-Kramers-Brillouin allows to solve for the basilar membrane vibration. The evanescents modes are taken into account to provide a better representation compared to the numerical models. As a second step, the finite elements method is used to solve for the transversal modes while the WKB Approximation deals with the longitudinal propagation. The first flexural mode of the basilar membrane is shown. The second propagative mode reveals a shearing motion of the tectorial membrane which can help stimulating the hair cells. An over-size artificial cochlea is designed and built. Thanks to an acoustic black hole, used as a anechoic end, travelling waves are observed on this device. Reflected waves are attenuated and the interferences with incident waves reduced. Mode coupling could be applied not only to evanescent modes but also to propagatives ones. Perspectives for the adaptation of the WKB method to fluid structure inhomogeneous waveguides, and particularly to the immersed acoustic black hole, seem to be very promising.

To find life on Moon, Mars or other space bodies, drilling capabilities are required. Whether it be to take a sample or to conduct in-situ experiments, drilling increases the scientific return of any space exploration mission. However, high constraints on a space systems’ mass and low gravity environments lower the performance of rotary drilling (massively used on Earth for oil, gas and mining). A novel solution was identified in the manner the wood-wasp (a 1 cm-long insect) drills into wood to lay its eggs. Previous research and publications suggested that by imitating this insect, one could develop a planetary drill requiring no normal force or external push to progress. Such a system could enable drilling and sampling from highly miniaturized probes. This thesis builds on this concept and explores the feasibility and performance of such a bio-inspired drilling solution in regoliths, the loose granular material that covers the surface of the Moon and Mars. This bio-inspired drilling mechanism is named Dual Reciprocating Drilling (DRD). To enable engineers to design a compact and efficient DRD system, it is necessary to understand and characterize the interaction between the drill head and the regolith surrounding it. At the start of this research the understanding of DRD did not allow to chose between different DRD system architectures. The main focus of the PhD was thus laid on testing and understanding the behaviour of the drill head in the regolith. The novelty of DRD in regoliths and the high preference for experimental approaches in soil mechanics, drilling and space exploration has pushed this research to adopt a predominantly experimental approach (though some numerical and analytical modelling has been contributed). Four major steps were taken to enhance our understanding of DRD in regolith. First Moon and Mars regolith simulants were identified and characterized. Their geotechnical properties were experimentally obtained. Special emphasis was laid on the manner they were prepared. Preparation methods were proposed and tested. Secondly, a custom test bench was built to test DRD in the regolith simulants. This allowed to identify the importance of slippage in the drilling process for the first time (concept taken from vehicle traction and adapted for DRD) and to propose DRD penetration mechanics in regolith. Then to confirm the first experimental results, a simplified force sensor test bench was built. It was used to measure the influence of slippage on the forces between regolith and the DRD. This allowed to revise and confirm the DRD penetration mechanics proposed previously. The importance of lateral movements during the drilling process was identified. Finally, to enable future regolith drill developers to have a numerical simulation tool, the recent advances in hardware computing (Graphics Processing Unit (GPU)) were used to conduct the first very large number of particles numerical simulations of regolith drill interaction (using discrete element methods). This allowed to confirm the importance of lateral forces in DRD. To conclude, the work presented in this thesis has lead to a significant advancement of our understanding of the manner DRD is considered. Before this work, it was considered as able to generate its own drilling force. In regoliths it is now clear that it requires non-zero external force to drill. However it does enable to lower this drilling force (thanks to lateral forces and displacements) making it an efficient solution to be considered for future planetary exploration. A system architecture reflecting this new vision of DRD is proposed.