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Aircraft Loads Prediction for Enhanced Simulation

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Une modélisation accélérée et ultraprécise des contraintes débouche sur la conception beaucoup plus efficace des avions de ligne

Les avions de ligne plus écologiques doivent être plus légers pour consommer moins de kérosène. Ils doivent cependant demeurer suffisamment solides pour résister aux forces qu’ils sont susceptibles de rencontrer en vol. Les chercheurs du projet ALPES ont étudié comment prévoir ces contraintes plus rapidement et avec une précision sans précédente, ce qui permettra in fine d’imaginer des avions plus innovants.

Transports et Mobilité

Toute personne dont l'avion qui l’emmenait en vacances a traversé des turbulences est bien consciente que nos avions ne volent pas dans un milieu amical et sans danger. Notre atmosphère est remplie de vents tourbillonnants, de gradients de température et de conditions météorologiques pouvant déplacer violemment l'air qui porte l'avion ou exercer des forces importantes et des charges sur la structure même de l'avion. De même, les manœuvres que doit effectuer l'aéronef - comme les virages de changement de cap, les phases de décollage ou d’atterrissage - exercent de fortes contraintes sur ses composants structuraux. Mais, pour concevoir des avions sûrs, les constructeurs ont besoin de connaitre les contraintes maximales que leurs avions devront affronter afin de déterminer à quel point les pièces essentielles de la carlingue devront être résistantes pour pouvoir supporter les tensions et contraintes d’un vol. Jusqu'à présent malheureusement, les concepteurs d'avion ne pouvaient pas prévoir ces contraintes avec la précision souhaitée, leurs outils de modélisation n'étant pas assez sophistiqués. Chasser les erreurs Cette situation devrait changer cependant, grâce au projet ALPES financé par l'UE au sein duquel le coordinateur du projet, Jonathan Cooper de l'Université de Bristol (Royaume-Uni), a travaillé aux côtés des modélisateurs du Siemens Aerospace Center de Louvain (Belgique). Leur but ? Développer des techniques de modélisation rapides, capables de calculer les contraintes d’un avion avec une grande précision. Pour ce faire, l'équipe ALPES a amélioré les standards actuels de l'industrie concernant la modélisation des contraintes dues aux rafales de vent : la méthode d’analyse de treillis en doublet (DLM, pour Doublet Lattice Method), vieille de 40 ans est sujette à de nombreuses erreurs qui nécessitent des essais en dynamique des fluides (CFD) ou des tests en soufflerie, tous deux extrêmement chronophages. «Les nouvelles techniques que nous avons développées dans le cadre du projet, corrigent les résultats DLM en s’appuyant seulement sur quelques essais dans un système de numérisation CFD, ce qui nous permet d’obtenir une modélisation des contraintes dues aux rafales de vent bien plus rapide et plus précise» nous explique Jonathan Cooper. Il estime ainsi que le système est capable de simuler les effets de charge des facteurs aérodynamiques et structurels 95% plus rapidement que la méthode précédente. Ces méthodologies peuvent encore être améliorées par d'autres techniques de modélisation de substitution. Pour les ingénieurs chargés de la conception de nos avions, disposer d'un logiciel capable d’effectuer ces calculs compliqués sera évidemment un atout : «Plusieurs centaines de milliers de calculs doivent être réalisés pour prendre en compte toutes les contraintes potentielles auxquelles un aéronef pourrait être confronté pendant la durée de son service» nous explique ainsi Jonathan Cooper. Une optimisation plus simple des aéronefs Après avoir déterminé les charges potentielles, les ingénieurs peuvent alors calculer les contraintes sur toute la structure et optimiser la taille des différents éléments structurels comme les longerons et les nervures des ailes, ainsi que le fuselage ou l’épaisseur du revêtement, afin d’y faire face. Il est donc vital que les méthodes développées par ALPES puissent réaliser ces calculs à très grande vitesse, dit Cooper, car le processus complet doit être répété plusieurs fois pendant chaque calcul de dimensionnement. L'équipe du projet a déjà utilisé ses nouvelles techniques et montré des résultats intéressants en termes de contraintes sur un nouveau concept dans l’aviation: les bouts d'ailes repliables. Un avion peut en effet gagner plus de portance, réduire sa traînée et optimiser sa consommation de kérosène en ayant une plus longue envergure - même si des contraintes plus élevées y sont associées Mais des ailes plus longues ne tiennent pas dans les installations aéroportuaires classiques - des ailes repliables ont donc été proposées par Boeing par exemple, avec le design de son nouvel avion de ligne, le 777X. Au stationnement, les extrémités des ailes articulées restent verticales, comme sur un porte-avions, mais avant le décollage, elles pivotent vers le bas et se verrouillent à plat pour augmenter la portée de l’aile. «Nos recherches ont montré qu'en permettant une certaine flexibilité de la charnière pendant le vol, il est possible d'obtenir une extension significative du bout de l'aile avec un impact limité voire minime sur le poids de l'aile», explique Jonathan Cooper. Futures applications Ces résultats vont réellement faire la différence dans les milieux de l'aviation, prédit ainsi Mr Cooper. «Les technologies que nous avons étudié faciliteront le développement de nouvelles conceptions d'avions, plus respectueuses de l'environnement et dans le même temps accélérerons la conception et la certification de ces mêmes avions», explique-t-il. Par ailleurs, des travaux connexes au projet ALPES se poursuivent maintenant dans le cadre du projet AEROGUST, un projet financé par l'UE qui a axé ses travaux sur l’amélioration de la modélisation de la charge aérostatique et du cisaillement, générés par les rafales de vent - tant pour les avions que pour les éoliennes.

Mots‑clés

ALPES, avion, avion de ligne, aviation, prédiction de charge, tolérance aux dommages, structures, charge limite, simulation, sécurité

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