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.