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1
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
2
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
Analyse etstructuration
Formalisationdes contraintes
Résolution parsolveur CSP
Analyse etstructuration
Formalisationdu besoin
Définition CDCF
5
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
Conceptionarchitecturale
Conceptiondétaillée
6
Recherche de concepts
Analyse et structuration
Formalisation
Qualification
Traitement
Analyse fonctionnelle
Graphes substances/champsModèles sémantiques
Qualification des biais d’attaque
Outils de résolution MAL’IN
Organigramme techniqueBlocs diagrammes
Modèles
Biais d’attaque qualifiés
Concepts
Méthodes et outils Livrables
Analysedu
besoin
Recherchede
concepts
Conceptionarchitecturale
Conceptiondétaillée
7
Conception architecturale
Analyse et structuration
Formalisation
Qualification
Traitement
Analyse fonctionnelle
Modélisation par contraintesIntégration des modèles
Qualification des modèles
Solveur de Pb par satisfactionde contraintes
Organigramme techniqueBlocs diagrammes
ModèlesRègles Métiers
PEPS, Modèles qualifiés
Solutions architecturalesdimensionnées
Méthodes et outils Livrables
Analysedu
besoin
Recherchede
concepts
Conceptionarchitecturale
Conceptiondétaillée
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
9
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
10
Domaines d’application : Systèmes de conditionnement d’air
Configurationsexistantes
Investigations
BOOTSTRAP
11
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)
12
Projets et consortiums
ERT IMPACT: Etage haute pression turbomoteur (TURBOMECA, TREFLE, LMP, LAMEFIP)
12
3
4
567
89
10
11
12
1314
15
16
17
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)
13
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
14
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
15
A framework for the reliable exploration of solution spaces in preliminary design
UMR CNRS 8508
LEDOUX Y.
16
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…
17
3. The reliability• Influence in the preliminary design model
18
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
19
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
20
• Flexibility concept
10,10-yD
10,10-xD
, with:
0105yx
012y-x
22
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)
22
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
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 géométrique
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