1 méthodologie et outils d'aide à l'innovation et à la décision en conception...

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Méthodologie et outils d'aide à l'innovation

et à la décision en conception préliminaireEquipe SYSTÈMES ÉNERGÉTIQUES ET CONCEPTION

UMR CNRS 8508

& ERT 1070 IMPACT TREFLE/TURBOMECA

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Equipe "Systèmes Energétiques et Conception"

NADEAU J.P., Pr ENSAM Innovation, conception Energétique

SEBASTIAN P., MCF UBx1 HDR Modélisation Energétique

PAILHES J., MCF ENSAM Innovation, matériaux comp. Mécanique

Chercheurs

AREGBA W., CDD Modélisation, séchage Thermique

GOETZ C., MCF ENSAM Analyse, modélisation Automatisme

LEDOUX Y., MCF UBx1 Variabilité en conception Production

SCARAVETTI D., MCF ENSAM Espace solutions, Int H/M Mécanique

FISCHER X., Ing. (HdR) ESTIA Conception interactive, Réalité virtuelle

Chercheur associé

8 Doctorants

3

Preliminary design

Preliminary design start from conceptual design and leads to the search for feasible embodiment design

4

Objectifs généraux

Analysedu

besoin

Recherchede

concepts

Conceptionarchitecturale

Conceptiondétaillée

Analyse etstructuration

Formalisationdes modèles

Résolution parOutils MAL’IN


Formalisationdes contraintes

Résolution parsolveur CSP


Formalisationdu besoin

Définition CDCF

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Analyse du besoin

Analyse et structuration

Formalisation

Qualification

Traitement

Analyse fonctionnelle

Lois d’évolutionModèles sémantiques

Qualification des pistesQualification des critères

Méthodes MAL’IN

Organigramme techniqueBlocs diagrammes

Pistes de nouveaux produitsCritères

Pistes et critères qualifiés

Cahier des charges fonctionnel

Méthodes et outils Livrables

Analysedu

besoin

Recherchede

concepts



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Recherche de concepts


Formalisation

Qualification

Traitement


Graphes substances/champsModèles sémantiques

Qualification des biais d’attaque

Outils de résolution MAL’IN


Modèles

Biais d’attaque qualifiés

Concepts


Analysedu

besoin

Recherchede

concepts



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Conception architecturale


Formalisation

Qualification

Traitement


Modélisation par contraintesIntégration des modèles

Qualification des modèles

Solveur de Pb par satisfactionde contraintes


ModèlesRègles Métiers

PEPS, Modèles qualifiés

Solutions architecturalesdimensionnées


Analysedu

besoin

Recherchede

concepts



Systèmes Energétiques & Conception8

- A priori choices (concept, Design Variables, components…)- Trial and error mode iterations

Classical design process :

Design problem

modelling

Choice in reduced

solution space

PROPOSAL▪ Expression of the design problem as a set of constraints,▪ Exploration of the whole design space ,▪ Assessment of performances using criteria relating to design objectives,▪ Reduction of the solution space (objectifying choices)

Decision support process :

Generate all feasiblearchitectures

Embodiment DesignWorking

structuresPreliminary

layout

Feasibleembodi-ments

Product architecture

Generate all feasiblearchitectures

Embodiment DesignWorking

structuresWorking

structuresPreliminary

layoutPreliminary

layout

Feasibleembodi-ments

Product architecture

BENEFITS▪ No design space area dismissed▪ Identification of DV relevant values and of interesting design configurations

Suitable knowledge modelling as a set of constraints ( = , < > , rule, variable domains )

Structuring characteristics identification▪ functional performance specifications▪ technical skills, manufacturing rules▪ physical behaviour models (functional fluxes & undesirable induced phenomena)▪ standards : concepts, components▪ life cycle stages (functioning conditions)

Variables▪ Design Variables DV (define product architecture )▪ Criteria (relative to design objectives)

Solution space reduction▪ Selection of Pareto optimal solutions Decision support▪ Overview of the design space: solutions displayed according to DV relevant and irrelevant DV values or combinations

Embodiment design of complex systemsEmbodiment design of complex systems

"Robustesse"▪ contraintes floues▪ performance produit situation de vie▪ prise en compte incertain: intervalles

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Résolution du problème global : solveurs

4 thèses(2000-2008)

Solveurévolutionnaire

Solveur ensembliste

CE V3.0

Solveur ensembliste

CE V3.1

Solveurs ensemblistes

CE V4.1ELISA

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Domaines d’application : Systèmes de conditionnement d’air

Configurationsexistantes

Investigations

BOOTSTRAP

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Domaines d’application : Systèmes de conditionnement d’air

BOOTSTRAP

02468

101214161820222426283032343638404244464850

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Surface type - main exchanger (Main air cicuit)

Su

rfac

e ty

pe

- p

re-c

oo

lin

g e

xch

ang

er

Mp 3

Pareto

X lcs

●DESIGN SPACE EXPLORATION

Overview of the design space▪ Solutions displayed according to DV (type of fins)▪ Identification of Pareto optimal solutions

(managing compromise between requirements)▪ Identification of solutions compatible with several life

cycle stages (X-lcs)

Decision support▪ Visualisation of relevant and irrelevant DV values▪ Visualisation of relevant and irrelevant DV combinations

Design space and visualisation of relevant DV values (fin type) for main air circuit (more recent study)

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Projets et consortiums

ERT IMPACT: Etage haute pression turbomoteur (TURBOMECA, TREFLE, LMP, LAMEFIP)

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3

4

567

89

10

11

12

1314

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16

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Rotor

Nacelle

Mât

Low speed shaftGearboxHigh speed shaftGeneratorBrake

RéseauElectrique

Environnement

Cahier des ChargesPompes à vide

Condenseurs

Chambre Separat.

Pompe d’extraction

Environnement

Cahier des Charges

2 thèses(1998-2006)

2 thèses (1999-2006)

Modelisation:ThermodynamiqueThermo-mécaniqueMécanique des fluidesTolérancementCahier des charges

Eolien: (VALOREM, ENSAM-Meknès)

Evaporateurs flash: (LURTON, IMECA licence exclusive 2007)

4 thèses(2004-2011)

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Conception et industrialisation : Application RTM

Variables BE

Variables Matériaux

Variables Procédé connues du BE

ModèleIndustrialisation

Bases de connaissances

Retour d’expériences

Règles métiers

Modèle BE

Bases de connaissances

Retour d’expériences

Règles métiers

Architecture(s) à industrialiser

Design for manufacturing

Limites admissibles géométrie(s) fabriquée(s)

Variables industrialisation et Procédé

Thèseen cours

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En cours ou à venir

Intégration de l’humain en conceptionsensorielinteraction homme/machinemodélisation centrée homme

Prise en compte de la variabilité en conceptionbases de connaissancescouplagesméthodes fiabilistes

Méthodologie produit vers produit/service

Prise en compte de l’industrialisation en conception

Solveurs maîtrisés, modélisation centrée homme

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A framework for the reliable exploration of solution spaces in preliminary design

UMR CNRS 8508

LEDOUX Y.

[email protected]

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2. Preliminary design phases

• The key points:

Expression of the design problem

Processing

Post processing

as a set of mathematical relations

leading to the exploration of the design space

Post processing : hierachisation of the solutions by performance evaluation, research of none dominated solution, display of solutions…

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3. The reliability• Influence in the preliminary design model

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4. Different integration levelsThrough preliminary design phases

1. A posteriori2. Integrated

in the design model

3. Integrated

into the research

• Definition of the reliability aspect in preliminary design can be – A posteriori:

• time consuming in the design phase – Integrated to the model :

• difficult to introduce directly (expression of constraints)– Integrated to the research with :

• Interval Analysis• and CSP

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4. Different integration levels

• Integrated into the research– Tools used :

• Constraint solver problem technique• Interval Analysis (IA)

Aeronautic conditionning air systemAutomatic system for clock

weights

Flash evaporators

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• Flexibility concept

10,10-yD

10,10-xD

, with:

0105yx

012y-x

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1

Introduction of new area where all the combination of DV are solutions according to the flexibility

5. Adaptation to the CSP and IA in preliminary design

105yx

12y- x

22

2

11

21

• Interest of this approach– New tool to define flexible zone– Information on the size of the DV solution

Quantification of the robustness

5. Adaptation to the CSP and IA in preliminary design

02468

101214161820222426283032343638404244464850

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Surface type - main exchanger (Main air cicuit)

Su

rfac

e ty

pe

- p

re-c

oo

lin

g e

xch

ang

er

Mp 3

Pareto

X lcs

●DESIGN SPACE EXPLORATION

Overview of the design space▪ Solutions displayed according to DV (type of fins)▪ Identification of Pareto optimal solutions

(managing compromise between requirements)▪ Identification of solutions compatible with several life

cycle stages (X-lcs)

Decision support▪ Visualisation of relevant and irrelevant DV values▪ Visualisation of relevant and irrelevant DV combinations

Design space and visualisation of relevant DV values (fin type) for main air circuit (more recent study)

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6. Outlook

• The flexible concept allows to introduce flexible constraints:– To take into account to uncertainties (physical

model, …)– To introduce size solution zone analysis

• Needed development– Easly integration into the IA and CSP – Characterization of the size zone (multi dimension

case)

23 23

Axes de travaux 2008

Etude de la partie statique

de la THP

Etude de la partie statique

de la THP

Analyse de l’existant :

Distributeur DHP et Support

d’anneau SATHP

Analyse de l’existant :

Distributeur DHP et Support

d’anneau SATHP

Etude de l’étanchéité des joints standards

Etude de l’étanchéité des joints standards Spécification

fonctionnelle Spécification fonctionnelle

Approche fiabiliste du jeu

stator/rotor

Approche fiabiliste du jeu

stator/rotor

Pratique de conception pour l’instrumentation

des THP

Pratique de conception pour l’instrumentation

des THP

ERT IMPACTERT IMPACT

ERT TURBOMECA-TREFLEERT TURBOMECA-TREFLE

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Problématique : défaillance du turbomoteur

Turbomachine Visualisation du jeu fonctionnel entre l’extrémité des aubes et les secteurs d’anneau

• Température maxi ≈ 1700°C• N ≈ 50 000 tours/min

Cas 1 : Risque de TOUCHE ! Jeu<0 mm

Cas 2 : Perte de rendement !Jeu > 0.7mm

2 scénarios de défaillance

ERT TURBOMECA-TREFLEERT TURBOMECA-TREFLEApproche fiabiliste du jeu fonctionnel de turbomachine d’hélicoptèreApproche fiabiliste du jeu fonctionnel de turbomachine d’hélicoptère

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Jeu est fonction de :• la géométrie (positions liaisons, défauts) • situation de vie (démarrage, accélération ….) • phénomènes thermomécaniques, • vieillissement, …

Problématique : défaillance du turbomoteur

Bilan 2007-2008Jeu = f (géométrie)

ParamètresParamètres

Variables Aléatoires

Modèle géométrique


Résultats Phiméca

P(i) en %

Jeu (mm)

Résultats PhimécaRésultats PhimécaRésultats Phiméca

P(i) en %

Jeu (mm)

Probabilité de valeur de Jeu

Possible de quantifier la probabilité de défaillance !

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Approche fiabiliste

Moyenne


Modèle géométriqueParamètresParamètres

Variables Aléatoires

Jeu=f(paramètres)Jeu=f(paramètres)

Ecart type

Définition des fonctions d’état G

Définition des fonctions d’état G

Résultats fiabilistesRésultats fiabilistes

Probabilité de défaillance (Pf) si G < ou =O

Sensibilité des paramètres

Bornes

Mise en place d’un modèle géométrique du jeu

Prise en compte : - écarts entre les surfaces nominales - jeu des liaisons - dimensions du modèle

Analyse fiabiliste de l’architecture existante de THP

- élasticités : hiérarchisation des paramètres - quantification des dérives

1 méthodologie et outils d'aide à l'innovation et à la décision en conception...

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