Conception optimale des structures est une introduction à la conception optimale de structures, appelée aussi optimisation de formes. Il est principalement destiné à un public mixte de mathématiciens appliqués et de mécaniciens que relient un même intérêt pour les applications numériques.

Cet ouvrage permet l'apprentissage des m thodes num riques innovantes pour la conception optimale de forme en a rodynamique et plus g n ralement pour les probl mes d'optimisation multicrit re ou multidisciplinaire dans un contexte a ronautique. La premi re partie est consacr e l'am lioration de l'efficacit des algorithmes d'optimisation de forme en mati re de convergence. Au premier volet, on a d velopp des algorithmes d'optimisation multiniveaux et auto-adaptatives. Par des simulations d' coulements tridimensionnels autour de g om tries de voilures d'avions, on a r solu des probl mes de r duction de tra n e en transsonique et de r duction de crit re de bruit en supersonique et montr la sup riorit de ces algorithmes. La deuxi me partie est consacr e au traitement d'un probl me d'optimisation concourante o le concepteur a rodynamique interagit avec le concepteur structural, parall lement dans un jeu sym trique de Nash, ou hi rarchiquement dans un jeu de Stackelberg. On a propos et exp riment avec succ s des algorithmes de calcul d' quilibre pour cette optimisation coupl e a ro-structurale dans une situation o le crit re a rodynamique est pr pond rant.

Afin de faire face aux nouveaux challenges de l'industrie automobile, les ingénieurs souhaitent appliquer des méthodes d'optimisation à chaque étape du processus de conception. En élargissant l'espace de conception aux paramètres de forme, en augmentant leur nombre et en étendant les plages de variation, de nouveaux verrous sont apparus. C'est le cas de la résistance aux chocs. Avec les temps de calcul long, la non-linéarité, l'instabilité et la dispersion numérique de ce problème de dynamique rapide, la méthode usuellement employée, l'optimisation par plan d'expériences et surfaces de réponse, devient trop coûteuse pour être utilisée industriellement. Se pose alors la problématique suivante : Comment faire de l'optimisation de forme en dynamique rapide avec un nombre élevé de paramètres ?. Pour y répondre, les méthodes d'optimisation par gradient s'avèrent être les plus judicieuses. Le nombre de paramètres a une influence réduite sur le coût de l'optimisation. Elles permettent donc l'optimisation de problèmes ayant de nombreux paramètres. Cependant, les méthodes classiques de calcul du gradient sont peu pertinentes en dynamique rapide : le coût en nombre de simulations et le bruit empêchent l'utilisation des différences finies et le calcul du gradient en dérivant les équations de dynamique rapide n'est pas encore disponible et serait très intrusif vis-à-vis des logiciels. Au lieu de déterminer le gradient, au sens classique du terme, des problèmes de crash, nous avons cherché à l'estimer. L'Equivalent Static Loads Method est une méthode permettant l'optimisation à moindre coût basée sur la construction d'un problème statique linéaire équivalent au problème de dynamique rapide. En utilisant la dérivée du problème équivalent comme estimation du gradient, il nous a été possible d'optimiser des problèmes de dynamique rapide ayant des épaisseurs comme variables d'optimisation. De plus, si l'on construit les équations du problème équivalent avec la matrice de rigidité sécante, l'approximation du gradient n'en est que meilleure. De cette manière, il est aussi possible d'estimer le gradient par rapport à la position des nœuds du modèle de calcul. Comme il est plus courant de travailler avec des paramètres CAO, il faut déterminer la dérivée de la position des nœuds par rapport à ces paramètres. Nous pouvons le faire de manière analytique si nous utilisons une surface paramétrique pour définir la forme et ses points de contrôle comme variables d'optimisation. Grâce à l'estimation du gradient et à ce lien entre nœuds et paramètres de forme, l'optimisation de forme avec un nombre important de paramètres est désormais possible à moindre coût. La méthode a été développée pour deux familles de critères issues du crash automobile. La première est liée au déplacement d'un nœud, objectif important lorsqu'il faut préserver l'intégrité de l'habitacle du véhicule. La seconde est liée à l'énergie de déformation. Elle permet d'assurer un bon comportement de la structure lors du choc.

L'objectif de ce travail de thèse est de pouvoir intégrer totalement l'optimisation de forme des raidisseurs de capot dans un processus de conception industrielle et cela afin d'optimiser la forme et la distribution des raidisseurs dans un contexte multi-objectif (voire multi-disciplinaire) d'une structure 3D surfacique. Pour ce faire, nous avons tout d'abord établi un aperçu de l'état de l'art dans l'optimisation de forme des structures en classifiant les différentes méthodes de paramétrage de forme, en trois catégories ; les méthodes basées sur la géométrie (telle la paramétrisation d'un modèle de type CAO), les méthodes basées sur une grille fixe (telles que les méthodes d'optimisation topologique) et les méthodes basées sur le maillage (telles que les méthodes de régularisation du maillage). Toutefois, aucune de ces méthodes ne satisfait pleinement aux objectifs posés. Nous introduisons ainsi dans cette thèse la méthode FEM-CsG : Finite Element Mesh - Constructive surface Geometry. Imprégnée d'un fort contexte industriel, cette méthode propose une réponse à des contraintes telles que la possibilité de représenter la solution optimale par un ensemble de paramètres CAO, la possibilité d'adapter le modèle EF à l'analyse souhaitée et la garantie d'une représentation géométrique et d'un maillage robuste. En proposant d'intégrer des formes élémentaires paramétrées et prémaillées issues d'une bibliothèque de formes dans une structure coque 3D maillée par l'utilisation des variables issues de la CAO, la méthode FEM-CsG permet une évolution constante de la topologie guidée par l'optimisation. Ainsi, même si la topologie est modifiée la forme résultante reste conforme avec une représentation CAO par construction, correspondant davantage à la réalité des optimisations réalisées en avant-projet. La méthode FEM-CsG a été validée sur deux études de cas, de complexité variable, permettant de mettre en avant la robustesse de cette dernière. Ainsi, avec un choix intelligent et cohérent des variables de formes, les problèmes d'optimisation peuvent avec un nombre restreint de variables explorer un nombre important de topologies ou de formes. Les changements de topologies s'effectuent de manière continue, validant ainsi la méthode à tout type d'analyse souhaitée.

La fiabilité des systèmes complexes est un défi majeur pour les entreprises industrielles. Ces dernières doivent répondre aux exigences des donneurs d’ordre dont le non-respect entraînerait des pénalités compromettant les marchés futurs. L’un des enjeux majeurs de l’optimisation fiabiliste est d’établir une surveillance rigoureuse, capable de prédire et de détecter les modes de défaillances des systèmes étudiés. Cet ouvrage présente les avancées de la recherche et de l’industrie appliquées aux domaines de l’optimisation, de la fiabilité et de la prise en compte des incertitudes en mécanique. Ce couplage est à la base de la compétitivité des entreprises dans les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique, du génie civil ou encore de la défense. Accompagné d’exemples détaillés, Incertitudes, optimisation et fiabilité des structures présente les nouveaux outils de conception les plus performants. Il s’adresse aux ingénieurs et aux enseignants-chercheurs.

Afin d’améliorer la qualité des solutions proposées par l’optimisation dans les processus de conception, il est important de se donner des outils permettant à l’optimiseur de parcourir l’espace de conception le plus largement possible. L’objet de cette thèse est d’analyser différentes méthodes de paramétrage de formes surfaciques d’une automobile en vue de proposer à Renault un processus d’optimisation efficace. Trois méthodes sont analysées dans cette thèse. Les deux premières sont issues de l’existant, et proposent de mélanger des formes, afin de créer de la diversité. Ainsi, on maximise l’exploration de l’espace de conception, tout en limitant l’effort de paramétrage des CAO. On montre qu’elles ont un fort potentiel, mais impliquent l’utilisation de méthodes d’optimisation difficiles à mettre en œuvre aujourd’hui. La troisième méthode étudiée consiste à exploiter la formulation de Koiter des équations de coques, qui intègre paramètres de forme et mécanique, et de l’utiliser pour faire de l’optimisation de forme sur critères mécaniques. Cette méthode a par ailleurs pour avantage de permettre le calcul des gradients. D’autre part, nous montrons qu’il est possible d’utiliser les points de contrôles de carreaux de Bézier comme paramètres d’optimisation, et ainsi, de limiter au strict nécessaire le nombre de variables du problème d’optimisation, tout en permettant une large exploration de l’espace de conception. Cependant, cette méthode est non-standard dans l’industrie et implique des développements spécifiques, qui ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Enfin, nous mettons en place dans cette thèse les éléments d’un processus d’optimisation de forme surfacique.

Afin d'améliorer la qualité des solutions proposées par l'optimisation dans les processus de conception, il est important de se donner des outils permettant à l'optimiseur de parcourir l'espace de conception le plus largement possible. L'objet de cette Thèse est d'analyser différentes méthodes de paramétrage de formes surfaciques d'une automobile en vue de proposer à Renault un processus d'optimisation efficace. Trois méthodes sont analysées dans cette Thèse. Les deux premières sont issues de l'existant, et proposent de mélanger des formes, afin de créer de la diversité. Ainsi, on maximise l'exploration de l'espace de conception, tout en limitant l'effort de paramétrage des CAO. On montre qu'elles ont un fort potentiel, mais impliquent l'utilisation de méthodes d'optimisation difficiles à mettre en œuvre aujourd'hui. La troisième méthode étudiée consiste à exploiter la formulation de Koiter des équations de coques, qui intègre paramètres de forme et mécanique, et de l'utiliser pour faire de l'optimisation de forme sur critères mécaniques. Cette méthode a par ailleurs pour avantage de permettre le calcul des gradients. D'autre part, nous montrons qu'il est possible d'utiliser les points de contrôles de carreaux de Bézier comme paramètres d'optimisation, et ainsi, de limiter au strict nécessaire le nombre de variables du problème d'optimisation, tout en permettant une large exploration de l'espace de conception. Cependant, cette méthode est non-standard dans l'industrie et implique des développements spécifiques, qui ont été réalisés dans le cadre de cette Thèse. Enfin, nous mettons en place dans cette Thèse les éléments d'un processus d'optimisation de forme surfacique.