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International audience; no abstract

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International audience; The vestibular section of the inner ear is partly comprised of three semicircular canals that detect head angular acceleration. This system is filled with a Newtonian fluid and its functioning pertains on fluid-structure interactions. The aim of the present paper is first to present a two-dimensional model of a single semicircular canal using fluid-structural finiteelements simulations. Second, this two-dimensional model is extended to 3-D space and to the case where the entire set of canals is considered. To achieve this goal, we first develop a twodimensional finite-elements model of a single canal. Using a strong coupling between the fluid flow and the structural displacements and also an Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) approach for the moving mesh, we analyze displacements of the cupulae and fluid velocity during head rotation. Second, this 2-D model is extended to a three-dimensional case by considering the entire set of canals. Preliminary results showing cupula deformation as well asfluid flow highlight a good correlation with the 2-D model.

International audience; The aim of this study is the fabrication and mechanical testing of entangled sandwich beam specimens and the comparison of their results with standard sandwich specimens with honeycomb and foam as core materials. The entangled sandwich specimens have glass fiber as core and glass woven fabric as skin materials. The tested glass fiber entangled sandwich beams possess low compressive and shear modulus as compared to honeycomb and foam sandwich beams of the same specifications. The vibration tests show that the entangled sandwich beams possess higher damping ratios and low vibratory levels as compared to honeycomb and foam sandwich beams, making them suitable for vibro-acoustic applications where structural strength is of secondary importance.

Ce chapitre présente les hypothèses et équations dynamiques de la théorie linéaires des coques dans l’hypothèse de Kirchoff-Love, et dans le contexte général de la mécanique Lagrangienne des solides. Les équations présentées généralisent aux coques gauches les formulations usuelles des poutres et incluent les contributions statiques et les termes d’inertie dynamique dans le cadre élastique. Ces équations fondent les modèles généraux des coques dans leur approche modale, en mouvement libre après choc ou lâché et en mouvement excité sous charge dynamique.

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Many types of structural faults (cracking, delamination, etc) will cause changes in the measured dynamic response of a structure and also influence identified modal parameters. Estimation of damping and mode shape in structural control often poses a difficult problem especially in Structural Health Monitoring algorithm. As a first example we can underline two different methods of mode shape reconstruction (cubic and Kriging) function of placement sensors and number of sensors. Secondly we study the robustness and the accuracy of the damping ratio estimation for 3 different methods: Rational Fraction Polynomial, Continuous Wavelet Transform and Least Square Complex Exponential. In fact damping estimation is mainly affected by Signal to Noise Ratio and damping level. Our supervised analysis on synthesized FRF coupled with a Design Of Experiments highlights that the frequency based method is the more reliable for damping estimation.

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International audience; The aim of this paper is the fabrication and vibration testing of a sandwich structure including a new core material known as fibre network sandwich material. As fabrication norms for such a material do not exist as such, so the primary goal is to reproduce successfully fibre network sandwich specimens. Enhanced vibration testing diagnoses the quality of the fabrication process. These sandwich materials possess high damping values, making them suitable for vibro-acoustic applications where structural strength is of secondary importance e.g., internal panelling of a helicopter.

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Y. Gao et al. proved the feasibility of designing a woodwasp (Sirex Noctilio) inspired drill for Earth and extraterrestrial drilling and boring activities [1]. But before an optimised dual reciprocating drill design can be proposed, it is necessary to better understand the driving factors and the important parameters that influence this mechanism’s performance and, power and force requirements. Indeed the insect’s ovipositor is "optimised", through natural selection, for wood; but the dual reciprocating drill will bore into much different substrates. Here, the numerous parameters that could influence the studied mechanism’s performance are identified and the test bench to

In December 2007, in cooperation with the Institut Paul-Émile Victor (France) and the Alfred Wegener Institut (Germany), in the frame of the International Polar Year, the Arctic Research Base AWIPEV in Ny-Ålesund (79°N) welcame the Aerocrew mission, in polar night. The 11 crew members, including physicians, aerospace crew trainers and engineers, have then investigated the possibility for such a base to demonstrate men-machine complementarity, with robotics on one hand, and human external activities on the other hand. Concerning the robotics, simple systems were used to open common perspectives, on planet and arctic site : mini-robot for ground observation with micro-camera and specimen recovery, micro-helicopter for aerial observation and access to steep sites. This kind of application is suitable for geologists, glaciologists, biologists and specialists of the atmosphere ; these scientists are required in arctic and in planetar bases. The mission was also a unique occasion for the crew to meet some specialists, and to show a transverse aspect as multidisciplinary team. In addition, as the presence of human operators is irreplaceable (complementar with robots) the Orlan EVA Russian glove has been tested in snow and ice, and compared with polar suits. The conclusion is that a strong synergy between polar techniques and planetar technologies, with crossed spinoffs, is highly fruitful, and that the use of Northern facilities constitute an excellent and affordable opportunity.

Ce mémoire présente les directions de recherche réalisées au cours d’un parcours transverse de quinze années, jalonné d’étapes industrielles et académiques. Cette démarche s’est réalisée dans le cadre de trois métiers successifs, reliés par la mécanique des structures.

This paper deals with an evaluation of intrinsic vibration damping properties of structural materials. In addition, the effect of visco-elastic material at interfaces for reduction of unwanted resonance has been considered. Tests were performed under vacuum in order to isolate the internal damping from the atmospheric action on specimen. The tests are realized for aluminum and carbon epoxy cantilever plates dynamically tested in bending, in free vibration and imposed deflection. The resonance frequency of flexure mode is determined analytically by Rayleigh Ritz method and numerically by finite element program. The structural damping characteristics are integrated in the program to obtain the response of these structures to dynamic loading. The contribution is focused on reproducing the structural materials behavior near the resonance frequencies involving intrinsic damping. The confrontation of the experimental and the numerical results provided good agreement, defining, for each material, a linear classical viscous part of damping, and also non-linear terms due to non-viscous dissipation and to the influence of interactions between phases in composites.

Les matériaux viscoélastiques sont largement utilisés dans la conception des suspensions antivibratoires passives. Dans ces dispositifs, les éléments subissent de fortes amplitudes de déformation, imposant aux concepteurs la prise en compte des non-linéarités qui en découlent. Dans le cadre de cette application, nous présentons un dispositif de caractérisation du comportement de ces matériaux en cisaillement simple et régime sinusoïdal. Les résultats sont exposés sous la forme d'une extrapolation au domaine non-linéaire des concepts linéaires classiques de module de cisaillement et facteur de perte. Le caractère fortement non-linéaire des lois de comportement est mis en évidence. Ce dispositif expérimental permet de mesurer les caractéristiques matériaux sur de larges plages de fréquences et d'amplitude de déformation, sansimposer d'hypothèses fortes quant à la formulation des lois de comportements. Il a été mis en œuvre en vue de valider la conception de supports de systèmes aérospatiaux embarqués.

This chapter proposes a synthetized approach of Lagrange dynamic equations. It deals with the initial formlism based on kinetik and potential energy, and presents the extension to the energy of Hamilton. The prime integrals of motion are presented, with the systematic classification of forces.

The old assumption formulated by Newton for fluid mechanics theory assumed that dragobstacle resulted only from dynamic shock of independant particles, with dynamic pressure affected of angular kinetik incidence ratio. This assumption having proved to be wrong in classical fluid dynamics, Newton gave it up. But when the flow is constituted of free particles, this type of calculation appears to be valid : in rarefied gases, and in hypersonic configuration. This observation leads to educational illustration based on very simple collision equation applied to surfaces, integrated on simple shapes. The students build Excel sheets and Maple programs allowing calculation of shape-ratios and effective sections for a plate, cylinder and cone. The main problem is here to restitute the hidden surfaces in flow. This calculation is used to generate the hypersonic polar curve by determination of lift and drag for each angle of attack. After this validation, the students calculated (with the same process) the shape of Atmospheric Reentry Demonstrator. In the frame of cooperation with EADS Launch Vehicle, conducted by the students, the curve was compared with ESA actual polars. The difference is in the range of 15% for operational angles of attack (where shield shape is globally in front). The students then conclude that this very simple approach (elementary kinetics, without thermics) provides a correct range of values, in spite of limitations for high angles of attack.

Cet ouvrage vise à offrir un panorama introductif structuré de la mécanique des structures, et notamment ders structures minces. La première partie de l’ouvrage synthétise les bases indispensables, afin d’en disposer ensuite pour une utilisation naturelle : dynamique rationnelle des solides indéformables et élastostatique linéaire des solides déformables. La seconde partie, développe les modèles dynamiques fondant l’analyse modale, et les modèles élastodynamiques appliqués aux éléments minces de structures, poutres et coques de type aéronautique. Elle inclut une brève présentation synoptique des méthodes de l’ingénieur - notamment de la méthode des éléments finis. L'annexe rassemble des énoncés de problèmes de dynamique.

The paper presents the results of mission held in December 1999 at Kiruna Esrange Northern Swedish Space Center, in the frame of research program initiated in 1998 under the auspices of French Conference des Grandes Écoles and Swedish Committe of Deans and Presidents of Universities, to get the best out of co-operation with the highly adapted infrastructures of Sweden's Northern Facilities. Its aim consists basically in developing balanced activities including participation of students and searchers of both countries, and scientific experiments and critical investigations concerning practical aspects of long range space flight. The scientific frame is Minimal Artificial Weightiness Concept (MAWC) developped in 1998 with Matra Marconi Space financement, and published (IAF/IAA-98-G.3.02).

Développement d’un modèle mathématique de mouvement complet en dynamique rationnelle reformulé dans le cas général, avec intégration explicite et application démonstrative et pédagogique à la minifusée conçue et réalisée par les étudiants de l’ENSICA : fusée à structure carbone monolithique, propulsée par moteur à poudre et aérodynamiquement stable.

This paper presents developments performed on photoelastodynamic bench of ENSICA's Department of Mechanical Engineering. Classical wave, vibrating, shock and rotating parts theories, were compared with colour pictures of isochromatic lines obtained with rapid camera and urethane resin specimens. For non-linear shock and large deflection, explicit code LSDYNA has been used. Then, the facility has been used to analyse dynamic work of gears for power transmission, in comparison with numerical computations. These developments have lead to demonstrations now included in engineering general courseware, about stress analysis : theory of elasticity and dynamics of structures. Gear visualisation have been included in integrated France-Canada developments concerning dynamics of transmission, as a complement with theoretical models and experimental acoustic analysis of functioning gears.

The aim of this paper is to present an original experimental approach of dynamics of solids and structures, considering dynamic application of photoelasticity. This application is used for industrial purpose (mechanism) and educational illustration. These experiments are possible with specific materials combining low mechanical module and high photoelasticic constant. Thus, relatively low propagation celerities are allowed, with convenient observability of stresses in the plane model.

The basic aim behind this research is to design an interplanetary spacecraft for a manned mission to Mars using issues of human physiology and psychology, interior architectural design considerations, ergonomic engineering and structural mechanics. The Minimal Artificial Weightness Concept (MAWC) was developed at ENSICA by Dr. Y. Gourinat and involves rotating the spacecraft about a central axis in order to create a sense of weightness in the modules. This reduces the medical problems experienced in zero gravity. The values of rotation rate and radius of the spacecraft have been chosen as 2 revolutions per minute and 45 m respectively. A total of three modules were chosen due to reasons of structural mechanics, with each module accommodating a crew of four. The habitation modules comprise a cyclindrical structure of dimensions 6 m in diameter and 12 m in length and consist of a two layered arrangement with staircases linking the two floors. Focus has been given to the detailed interior design of the habitation modules, taking into account psychological issues and these have been incorporated into the design by the choice of lay-out, materials, colours, lighting and furniture. The resulting modules have been modelled on computer using CATIA software.

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.

This chapter discusses regolith utilization in habitat construction mainly from the point of view of radiation protection of humans on missions of long duration. It also considers other key properties such as structural robustness, thermal insulation, and micrometeoroid protection that all have to be considered in parallel when proposing regolith-based solutions. The biological hazards of radiation exposure on the Moon are presented and put in the context of lunar exploration-type missions and current astronaut career dose limits. These factors guide the research in radiation protection done with lunar regolith simulants, which are used in research and development activities on Earth due to the reduced accessibility of returned lunar samples. The ways in which regolith can be used in construction influence its protective properties. Areal density, which plays a key role in the radiation shielding capacity of a given material, can be optimized through different regolith processing techniques. At the same time, density will also affect other important properties of the construction, e.g. thermal insulation. A comprehensive picture of regolith utilization in habitat walls is drawn for the reader to understand the main aspects that are considered in habitat design and construction while maintaining the main focus on radiation protection.

Les situations inconnues, i.e. jamais rencontrées ni anticipées, peuvent survenir lors de missions aérospatiales, comme dans le cas de la mission Apollo 13. Ainsi, l’équipage du premier vol habité vers Mars traitera probablement des situations inconnues (Orasanu, 2005) dans cet environnement potentiellement contraint, volatil et extrême tout en étant isolé de l’aide du centre de contrôle sol du fait des délais de communication. Or, un équipage ne peut pas être entrainé à traiter toutes les situations et a fortiori les situations inconnues (Noe, Dachner, Saxton et Keeton, 2011). Le présent travail de recherche est donc centré sur l’amélioration de la performance opérationnelle collective face à une situation inconnue en vol spatial habité vers Mars. La littérature étudiée (McLennan, Holgate, Omodei et Wearing, 2006 ; Noe et al., 2011) indique qu’une équipe partageant des expériences augmente sa compétence. En revanche, soit cette littérature est centrée sur une activité précise, soit elle ne discrimine pas les différents types d’expérience. De plus, la préparation d’une équipe pour réagir à une situation inconnue n’est pas abordée dans cette littérature. Potentiellement influencée par le partage d’expériences au niveau collectif, la métacognition est un levier reconnu d’augmentation de la performance en résolution de problèmes. La métacognition est définie comme la cognition sur la cognition (Flavell, 1979) et est modélisée en différentes étapes de raisonnement lors de résolutions de problèmes. Néanmoins, il n’est pas établi de lien entre d’une part le suivi de ces étapes ou leur mélange entre elles (i.e. la netteté métacognitive) et d’autre part l’amélioration de la performance opérationnelle collective en résolution de problème. Pour répondre à ces problématiques, un protocole spécifique (LETUCA) a été conduit durant vingt mois. Trois équipes stables ont été mises à l’épreuve de douze problèmes conçus pour ce travail ou adaptés de la littérature. La première a partagé un maximum d’expériences, la deuxième était constituée d’équipiers vivant les mêmes expériences, mais majoritairement séparément. La troisième n’a pas vécu d’expérience particulière. Ces trois équipes sont caractérisées selon les qualités des expériences vécues relativement à un entrainement fictif à l’inconnu. Ces qualités sont déterminées par des professionnels pouvant faire face collectivement à des situations inconnues. Les résultats obtenus soutiennent l’existence d’un lien entre le partage d’expériences diversifiées et de qualité et la performance opérationnelle collective en résolution de problèmes inconnus. L’étude de la métacognition permet de préciser ce lien : aucune relation n’est établie entre la performance et le suivi ou non du modèle de métacognition retenu. En revanche, un lien est confirmé entre les hautes valeurs de netteté métacognitive et l’augmentation de la performance opérationnelle. Finalement, l’ensemble des résultats permet de construire un modèle métacognitif collectif empirique en résolution de problème. Unknown situations, i.e. neither expected nor experienced, may happen during aerospace missions; notably, like in the case of the Apollo 13 mission. Then, the crew of the first manned flight to Mars will probably treat unknown situations (Orasanu, 2005) in this potentially constrained, volatile, and extreme environment whilst being isolated from ground control support due to communication delays. Yet, a crew cannot be trained to treat all situations, including the unknown situations (Noe, Dachner, Saxton et Keeton, 2011). The present research work deals with the improvement of the operational and collective performance while coping with an unknown situation during a manned space flight toward Mars. The studied literature (McLennan, Holgate, Omodei et Wearing, 2006; Noe et al., 2011) indicates that a team sharing experiences increases its skill. However, either this literature is focused on a precise activity or it does not discriminate the different types of experience. Moreover, the training of a team to react to an unknown situation is not discussed in this literature. Potentially influenced by experience sharing at collective level, the metacognition is a recognized lever to improve performance during problem resolutions. Metacognition is defined as cognition about cognition (Flavell, 1979) and is modeled into different reasoning steps during problem resolutions. Nonetheless, no link is established between on one side the follow-up of these steps or their possible mixture (i.e. metacognitive clearness) and, on the other side, the increase of the collective operational performance during problem resolutions. To deal with these problematics, a specific protocol (LETUCA) was build and applied during twenty months. Three stable teams coped with twelve problems designed for this study or adapted from the literature. The first one shared a maximum of experiences; the second one was formed with teammates living the same experiences, but mainly separately from each other. The third team did not live specific experience. These three teams are characterized according to the lived experiences’ qualities relative to a fictive training to the unknown. These qualities are determined by professionals that may face collectively unknown situations. The obtained results support the existence of a relation between the sharing of quality and diversity experiences and the collective operational performance during unknown problem resolutions. The study of metacognition enables to specify this relation: no link is established between the operational performance and the tracking or not of the selected metacognitive model. However, a relation is confirmed between high metacognitive clearness values and the operational performance’s increase. Finally, the results enable the construction of an empirical model of collective metacognition during problem resolution.

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.