Synthèse des travaux réalisés

ette thèse constitue une première contribution aux travaux menés dans le cadre de la chaire industrielle « Dynamique des Systèmes Mécaniques complexes » de la fondation d’entreprise EADS, mise en place au centre d’Aix-en-Provence d’Arts et Métiers ParisTech, et ont été réalisés au sein de l’équipe Ingénierie Numérique des Systèmes Mécaniques (INSM) du Laboratoire des Sciences de l’Information et des Systèmes (LSIS). Les activités de cette chaire industrielle concernent la problématique pluridisciplinaire que posent la conception, la modélisation et la commande de systèmes mécaniques complexes tels que les aéronefs de mission. Dans ce mémoire, nous définissons le contexte et les objectifs de la chaire, et nous proposons une première approche de représentation énergétique multiniveau de l’hélicoptère basée sur l’utilisation d’outils de représentation multiphysique. La synthèse suivante des travaux réalisés au cours de cette thèse concerne à la fois une étude menée sur les outils de représentation multiphysique et la modélisation des hélicoptères des grands industriels.  Le premier chapitre de ce mémoire a permis de préciser le contexte scientifique et industriel de la chaire, en montrant les verrous technologiques autour de deux thèmes. Le premier concerne le développement des liaisons intelligentes (actives et semi-actives) et le second concerne l’optimisation de la chaine de commande de vol d’un hélicoptère (allant du pilote aux rotors). Les actions de recherche actuelles sur ces thèmes, se focalisent essentiellement sur la modélisation et la conception d’actionneurs (électriques, hydrauliques, hybrides, …) et la définition d’algorithmes de commande (classiques et avancées).

L’expérience montre que ces actions, généralement définies de façon séparée, sont essentielles et performantes mais insuffisantes. Généralement, elles ne permettent pas une optimisation au niveau de la conception et de la commande du système. De plus, elles n’apportent pas de vision sur l’ensemble du système, qui prenne en compte la complexité des couplages. Cela peut conduire, pour le cas des hélicoptères, à l’apparition de phénomènes d’instabilité comme la résonance air, la résonance sol et les phénomènes de couplage entre pilote et hélicoptère (« rotorcraft pilot couplings »). Ils sont généralement dus à des couplages mal maîtrisés entre les sous-systèmes air, fuselage, rotors et système de commande. C’est autour de ces verrous technologiques et de ces problèmes d’instabilité récurrents des hélicoptères que les activités de la chaire ont été définies. Par conséquent, les travaux de recherche associés sont centrés sur la modélisation et la maîtrise de la dynamique des systèmes mécaniques complexes, plus particulièrement des hélicoptères des grands industriels. Plusieurs critères permettent de définir la complexité de ces systèmes. Dans ce mémoire, nous avons principalement retenu, pour la modélisation, la complexité liée à la multiplicité de sous-systèmes en forte interaction et à l’aspect multiphysique du système. En première phase, une recherche sur les approches de modélisation existantes des aéronefs a été effectuée. Nous avons ainsi constaté qu’il existe dans la littérature un nombre important de travaux de recherche centrés sur la modélisation et la commande de drones. La modélisation de ce type d’hélicoptère correspond à une modélisation type boîte noire et l’aéronef est généralement considéré comme une unique masse rigide. Ces méthodes ne peuvent pas être appliquées sur les hélicoptères des poids lourd industriels car ils sont de composition beaucoup plus complexe et leur modélisation nécessite la prise en compte de plusieurs sous-systèmes.

Actuellement, les méthodes de modélisation des hélicoptères des grands industriels peuvent être qualifiées d’approches par sous-systèmes. Elles bénéficient d’une longue expérience et sont basées sur une concaténation de différentes approches (empiriques, analytiques, numériques, …), en fonction de la nature du sous-système considéré. Il n’existe pas d’approche unifiée offrant une vision globale et structurelle sur la dynamique du système. Pour d’autres applications, principalement sur des systèmes de transport terrestre, ce type d’approches existe et utilise des outils de représentation multiphysique tels que le bond graph (BG) et la Représentation Energétique Macroscopique (REM). Certes, les hélicoptères demeurent plus complexes par leur aspect multidimensionnel difficile à simplifier, Le premier est le bond graph, car il permet une modélisation structurelle et peut être utilisé pour répondre au besoin d’une représentation multiniveau en exploitant le BG à mots pour les niveaux de description macroscopiques. De plus, il offre des méthodes d’analyse de propriétés structurelles, nécessaires préalablement à la définition des lois de commande. Cependant, le BG est plus fréquemment utilisé en application à des systèmes de transport terrestre, généralement associés à des problématiques qui peuvent être simplifiées en cas d’étude monodimensionnels. Pour le cas des systèmes à voilures tournantes, l’aspect multidimensionnel est difficile à simplifier et, par conséquent, cette représentation semble être insuffisante pour atteindre un objectif de description macroscopique et synthétique des systèmes. Face à cette difficulté, notre intérêt s’est porté sur le multibond graph (MBG). Il s’agit d’une extension du BG monodimensionnel développée pour l’étude des systèmes mécaniques multicorps. Cette méthode offre une approche de représentation systémique pour la description des solides en mouvement et des liaisons mécaniques.