Topology Optimization of a Blended Wing Body Aircraft : An Interpretable Structural Design

L’avion à fuselage intégré (BWB) représente une innovation majeure dans le domaine de l’aéronautique, offrant un potentiel considérable pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre et l’amélioration de l’efficacité aérodynamique. Toutefois, sa géométrie non conventionnelle entraîne des défis structurels spécifiques, notamment en ce qui concerne l’identification des trajectoires de raidissement optimales et la distribution des raidisseurs. Cette thèse aborde ces enjeux en développant un cadre d’optimisation topologique (OT) adapté à la conception structurelle, avec un accent particulier sur l’interprétabilité et la rigidité des résultats. L’étude débute par la proposition d’une nouvelle métrique de performance pour évaluer les résultats de l’OT basée sur la densité, qui combine des mesures de rigidité structurelle et d’interprétabilité. Cette métrique est validée par son application à un modèle de poutre en porte-à-faux, illustrant son efficacité dans l’orientation des décisions de conception en phase préliminaire. Le cadre est ensuite étendu à l’avion BWB pour optimiser une structure de coque raidis. Les chargements analysés sont : la flexion verticale des ailes, l’atterrissage dynamique, le roulis et la poussée des moteurs. Les résultats principaux révèlent des trajectoires de raidissement distinctes. La coque raidie exploite la double courbure pour maximiser la rigidité à l’aide de membrures fines intégrées. La superposition des topologies optimisées pour la coque raidie à l’aide d’algorithmes de traitement d’images met en évidence des motifs structurels récurrents, soulignant les régions critiques qui nécessitent un renforcement. Ces résultats démontrent le potentiel de l’optimisation topologique pour concevoir des BWB légers et performants tout en équilibrant les contraintes de performance. Nous avons ensuite fabriqué la structure de la coque raidie du BWB à l’aide d’une imprimante 3D à filament pour le cas de charge de flexion verticale des ailes, en intégrant la topologie optimale obtenue par notre méthode à la peau aérodynamique, afin de créer une version miniature d’un BWB optimisé ayant comme but de démontrer la faisabilité de la fabrication d’une coque raidie complexe issue de résultats d’OT. Cette recherche présente une méthodologie systématique permettant d’intégrer l’OT dans la conception préliminaire en aérospatiale, ouvrant ainsi la voie à de futures avancées dans le développement des BWB et de l’aviation durable.

Abstract

The blended wing body (BWB) aircraft represents a major innovation in aeronautics, offering significant potential for reducing greenhouse gas emissions and improving aerodynamic efficiency. However, its unconventional geometry introduces specific structural challenges, particularly regarding the identification of optimal stiffening trajectories and the distribution of stiffeners. This thesis addresses these challenges by developing a topology optimization (TO) framework tailored to structural design, with a particular focus on result interpretability and stiffness. The study begins with the introduction of a novel performance metric for evaluating TO results based on density distribution. This metric combines structural stiffness and interpretability measurements. It is validated through its application to a cantilever beam model, demonstrating its effectiveness in guiding early design decisions. The framework is then extended to the BWB aircraft, using a stiffened shell structure, and analyzed in critical loading cases, including vertical wing upbending, dynamic landing, roll, and engine thrust. The main results reveal distinct stiffening trajectories. The stiffened shell leverages double curvature to maximize rigidity through integrated fine stiffeners. The superposition of optimized topologies for the stiffened shell highlights recurring structural patterns, identifying critical regions that require reinforcement. These findings demonstrate the potential of TO in designing lightweight and high-performance BWB aircraft while balancing performance constraints. Next, we manufactured the stiffened shell structure of the BWB for the upbending load case, showcasing how the optimal topology obtained from our approach can be incorporated with the aerodynamic skin to produce a scaled version of a real-world optimized BWB to demonstrate the feasibility of the manufactured of a stiffened shell derived from topology optimization results. This research presents a systematic methodology for integrating TO into preliminary aerospace design, paving the way for future advancements in BWB development and sustainable aviation.