Conception d'avions (Partie 1) :Élargir les horizons

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Parmi les disciplines d'ingénierie les plus difficiles au monde, l'ingénierie aérospatiale et aéronautique est sans doute en tête de liste. Tout ingénieur lisant cet article peut être familier avec les cycles de conception habituels impliqués dans la conception de tout produit, mais c'est le niveau de complexité requis dans le domaine de l'aviation qui le rend si difficile.

La conception des avions modernes est confrontée à des défis opérationnels, environnementaux et financiers rigoureux. Un changement de paradigme massif est remarqué sur la façon dont les systèmes complexes sont conçus et comment éviter les défauts de conception comme dans le cas du dernier Boeing 737 Max. Dans cet article, nous discuterons du déroulement d'un cycle de conception d'avions modernes et des cas où l'utilisation des services d'un fabricant de prototypes pour des tests à grande échelle peut sauver la mise.

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Cycle de conception d'un avion moderne

Chaque concepteur lisant cet article peut être familiarisé avec les trois phases de conception de base, à savoir la conception conceptuelle, préliminaire et détaillée. Cependant, la concurrence féroce entre les acteurs du marché et les attentes élevées des clients obligent une entreprise à innover remarquablement dans les phases de conception pour répondre à des critères diversifiés. Discutons du cycle de conception d'un avion en fonction du coût du cycle de vie à l'aide du schéma suivant.

Comme vous pouvez le voir, les trois premières phases avant l'étape de fabrication représentent 95 % du coût total. Parmi les trois phases initiales, la plus importante est la phase 1, c'est-à-dire la planification et la conception conceptuelle. Par conséquent, concentrons-nous sur la première phase en détail, suivie des deux autres.

Planification et conception conceptuelle

La première étape est marquée par une étude de faisabilité qui détermine si un besoin peut être satisfait ou non avec la technologie existante. De plus, l'étude de faisabilité aide également à optimiser la trajectoire d'un projet, c'est-à-dire une refonte complète, ce qui signifie le risque et le coût les plus élevés ou l'adoption/la modification de la conception existante. Ensuite, la phase de conception conceptuelle commence. Tout concepteur d'avion connaît très bien les modèles Raymer et Roskam et comme ils le décrivent, la phase de conception conceptuelle implique de répondre aux questions de base suivantes :

• Cela fonctionnera-t-il ?
• À quoi ressemble-t-il ?
• Quelles sont les exigences ?
• Comment optimiser les compromis ?
• Comment optimiser le poids et les coûts ?

Le but ultime de l'étape de conception conceptuelle est d'identifier et de préparer un concept de conception réalisable et optimal pour un raffinement ultérieur. Cette phase implique donc l'élaboration, l'étude et l'examen de divers concepts de conception, le tout avec une connaissance minimale des résultats expérimentaux et des données limitées concernant l'aspect pratique de la conception. Le graphique sous ce paragraphe illustre la plus grande plage d'incertitude pendant les étapes conceptuelles par rapport aux étapes avancées. De plus, 65 % du coût du cycle de vie encouru au cours de cette étape signifie que toute modification de la conception de base, par la suite, signifie une réduction des revenus globaux et une prolongation des délais.

Le dilemme couramment rencontré dans la phase de conception conceptuelle est le début d'un programme de conception sans définir clairement un ensemble d'exigences à respecter. Il est si important de définir les exigences du marché et d'amener les clients à faire connaître leurs attentes de manière explicite. Le raffinement des exigences à un stade ultérieur entraîne une approche non économique et inefficace et un tel cycle de conception a de graves implications sur les coûts du cycle de vie encourus. Dans le cas de la conception d'un avion, il existe plusieurs ensembles souvent contradictoires d'exigences et d'attentes définies par les clients. Un ensemble diversifié et complexe de systèmes d'aéronef basés sur diverses parties d'un aéronef, par ex. les ailes, le moteur, le fuselage, le train d'atterrissage, la queue et le canard signifient de multiples défis.

Faire face à cela est un art à part entière et c'est pourquoi de telles décisions sont facilitées à l'aide de techniques telles que la prise de décision par attributs multiples (MADM). A l'aide de telles techniques, des considérations implicites sont mises en jeu et la prise de décision passe d'une approche déterministe ponctuelle à une approche dynamique et paramétrique. De plus, des techniques telles que l'analyse multidisciplinaire et l'optimisation de la conception sont essentielles pour répondre à des ensembles de contraintes enchevêtrés dans un tel environnement. Cette technique a été décrite dans le schéma suivant qui décrit les interactions entre les différentes majors aéronautiques.

En ce qui concerne l'incertitude dans la phase de conception conceptuelle, comme indiqué précédemment, les méthodes établies sont basées sur des théories probabilistes et des méthodes de conception. Ces méthodes impliquent l'utilisation de fonctions de densité de probabilité (PDF) et de fonctions de distribution cumulative (CDF) pour chaque contrainte de conception. Les données de plusieurs contraintes de conception sont ensuite tracées et analysées collectivement. Ces données cumulatives donnent au concepteur un aperçu clair de la région de conception et s'il doit assouplir une contrainte ou introduire une technologie pour l'amélioration globale du cycle de conception.

En bref, le concepteur crée une relation entre les variables d'entrée et de sortie en tenant compte de la variabilité des facteurs d'entrée.

Conception préliminaire

Cette étape est monumentale pour dimensionner les différents facteurs de conception du concept finalisé dans la première phase. Cela nécessite une étude et une analyse approfondies des interactions interdisciplinaires entre les différents systèmes et sous-systèmes d'un aéronef. Par exemple, le concept d'aéroélasticité est la combinaison de la mécanique des structures et de l'aérodynamique.

À l'ère de l'ingénierie moderne d'aujourd'hui, la phase de conception préliminaire comprend également des considérations telles que la fiabilité, la maintenabilité, la stabilité et le contrôle, la sécurité et l'économie. Nous allons maintenant discuter plus en détail des défis qui se posent dans cette phase de conception et de la manière optimale d'y faire face.

Une modélisation sophistiquée, complexe et précise nécessite l'utilisation d'algorithmes numériques avancés, par ex. Dynamique des fluides numérique et analyse par éléments finis. Cependant, les coûts de calcul exceptionnellement élevés représentent un autre défi pour les concepteurs. Le schéma suivant illustre au sens figuré le compromis entre le choix d'outils haute fidélité et l'utilisation de simulations simples.

L'évolution vers des outils complexes et de haute fidélité signifie non seulement des coûts de calcul plus élevés, mais aussi le défi de gérer plusieurs variables, souvent des centaines, et leur interdépendance également. Ainsi, un temps considérable est consacré à l'identification et à la cartographie de l'environnement de simulation. （L'histoire ne se termine pas!!!）

Si vous êtes toujours intéressé par le contenu, veuillez lire Conception d'avion (Partie 2) :Élargir les horizons. Merci.