ADAPTATIVE COMPOSITE PANEL WITH EMBEDDED SMA ACTUATOR: MODELING AND VALIDATION

ADAPTATIVE COMPOSITE PANEL WITH EMBEDDED SMA ACTUATOR: MODELING AND VALIDATION

Modification des propriétés mécaniques VS modification de la forme géométrique

Dans les articles présentés ainsi qu’au niveau de la littérature, il appert que l’aspect de modification des propriétés mécaniques (Epps et Chandra (1997), par exemple) ainsi que celui de modification de la forme géométrique (Turner et al. (2007), par exemple) sont deux aspects traités généralement de façon conjointe. Cette observation peut être expliquée par le fait qu’une modification des propriétés mécaniques va nécessairement requérir une modification de la forme géométrique. Un exemple évident est celui de l’aile d’avion déformable où il est recherché d’augmenter les propriétés aérodynamiques (Leung, Lau et Yu, 2007). Dans cette dernière étude, une aile d’avion adaptative en composite actionnée par des fils en AMF a été utilisée démontrer que le ratio portance-traînée pouvait être doublé lors de vols subsoniques. Dans une autre optique, il a également été possible de dénombrer plusieurs études où uniquement la modification de la forme géométrique est étudiée : l’inverse où la modification des propriétés mécaniques est traitée de façon indépendante n’a pas été souvent observée.

En effet, la modification de la forme géométrique est un aspect plus couvert que celui de la modification des propriétés mécaniques dans la littérature. C’est dans cette optique que les présents travaux de recherche seront orientés : la modification de la forme géométrique d’un panneau adaptatif. De plus, la raison principale expliquant pourquoi l’aspect de modification des propriétés mécaniques ne sera que très peu couvert dans ce projet est la suivante. Sachant que peu d’études semblables à celle-ci ont été répertoriées dans la littérature, il serait ambitieux d’entamer ce projet avec une multitude d’objectifs faisant référence à l’augmentation des propriétés mécaniques. C’est pour la même raison qu’une surface plane a été considérée plutôt qu’une géométrie initialement courbée.

Domaines de l’aéronautique VS les autres domaines

Le développement technologique de structures adaptatives est grandissant dans beaucoup de champs d’application. Il est en effet possible de recenser plusieurs études faisant appel à l’utilisation structures adaptatives et plus particulièrement de poutres adaptatives dans le domaine du génie civil. Dans l’une d’entre elles (Qian et al., 2010), une revue des plus récents projets considérant le contrôle des vibrations sismiques a été faite au niveau de l’utilisation combinée des AMF et des éléments structuraux d’un bâtiment. Néanmoins, selon Wagg et al. (2007), c’est dans les domaines de l’aéronautique et de l’aérospatial que le développement de structures adaptatives et plus particulièrement de panneaux adaptatifs est le plus présent. Il est d’ailleurs possible de retrouver, dans la littérature, des études (Calkins et Mabe, 2010; Sofla et al., 2010; Thill et al., 2008) faisant des revues très exhaustives des plus récentes technologies développées au niveau des panneaux adaptatifs dans le domaine de l’aéronautique. De plus, toujours au niveau de ces études, une tendance a permis d’observer que ces ailes d’avions adaptatives étaient, soit dotées d’un profil d’écoulement laminaire (Coutu, Brailovski et Terriault, 2010), soit utilisées dans les conditions subsoniques (Leung, Lau et Yu, 2007) ou soit destinées à des drones (unmanned aerial vehicle – UAV) (Seung-Man, Jae- Hung et In, 2006). Les motivations expliquant l’utilisation de telles structures, en opposition aux ailes d’avion utilisées des transporteurs commerciaux, sont les suivantes : ces ailes d’avion dites laminaires sont plus simples et moins rigides que celles employées sur un Boeing 787, par exemple (Seung-Man, Jae-Hung et In, 2006). Il est ainsi plus facile de modifier le profil de ces ailes d’avion. Ainsi, en se fiant à la tendance observée dans la littérature, il parait évident que l’étude de panneaux adaptatifs ayant la capacité de se déformer est un sujet très prisé au niveau du domaine de l’aéronautique. C’est d’ailleurs dans cette direction que la présente étude se concentre.

Types d’actionneurs

Dans la littérature, il a été possible d’observer que plusieurs types d’actionneurs ont été utilisés pour modifier la forme géométrique des panneaux adaptatifs. Toutefois, les actionneurs en AMF sous la forme de fils ou de rubans (Turner et al. (2007), par exemple) occupent une place prépondérante au niveau des types d’actionneurs employés. Il est toutefois possible de présenter brièvement les autres types d’actionneurs répertoriés dans la littérature soit les actionneurs piézoélectriques (Wang et al. (2001), par exemple), les actionneurs classiques linéaires (pneumatique, hydraulique et électrique) (Joo et Sanders (2009), par exemple) et les servomoteurs électriques (Hetrick et al. (2007), par exemple). Les actionneurs piézoélectriques se déforment sous l’effet d’un champ électrique direct plutôt que par la chaleur générée d’un courant électrique (effet Joule) comme pour les actionneurs en AMF. Bien que ce type d’actionneurs puisse produire une grande force, la course limitée de ce type d’actionneurs est la raison principale pour laquelle ils ne sont que très peu utilisés (Brailovski et al., 2003). Ils ont quand même été utilisés pour déformer les panneaux adaptatifs des « minis drones » (Sofla et al., 2010). Les actionneurs classiques ont l’avantage d’être des éléments de machine bien connus. En effet, les calculs reliés à leur conception sont bien maîtrisés dans la littérature de telle sorte qu’il est possible de se concentrer sur les aspects d’optimisation de ces derniers. C’est d’ailleurs le cas du projet utilisant un mécanisme de type « ciseau » contrôlé par un actionneur pneumatique (Figure 1.10) employé pour déformer le profil d’une aile d’avion adaptative (Joo et Sanders, 2009).

Dans ce dernier projet, à l’aide d’une analyse statique et du principe du travail virtuel, il a été possible d’optimiser le dimensionnement et le positionnement du mécanisme au sein de l’aile adaptative. Il est à mentionner qu’un tel mécanisme aurait pu remplacer le système de transmission utilisé dans le projet CRIAQ 7.1 présenté par Coutu, Brailovski et Terriault (2010). Toutefois, les principaux désavantages de ces actionneurs se retrouvent au niveau de leur poids et de leur volume occupé. C’est d’ailleurs pourquoi ces derniers ne sont pas considérés dans la présente étude. Les alliages à mémoire de forme sont une classe de matériaux métalliques présentant un comportement très particulier. Ces derniers peuvent effectivement présenter plusieurs types de comportements différents en fonction de leur état de contrainte-déformation-température. Dans les études couvertes par la littérature, l’effet mémoire de forme simple sens (Baz, Chen et Ro (2000) par exemple) et la génération de contrainte (Epps et Chandra (1997) et (Turner et al., 2007) par exemple) ont été particulièrement employés au niveau de l’activation des panneaux adaptatifs.

C’est toutefois le mécanisme de génération de contrainte qui est le plus couramment utilisé. De façon simplifiée, le principe de fonctionnement de ce comportement est le suivant : à la suite d’un traitement thermomécanique permettant de programmer (ou d’entrainer) les actionneurs, ces derniers peuvent se contracter sous l’effet de la chaleur. Un travail mécanique est ainsi produit. Les avantages nets de ces actionneurs se retrouvent au niveau de la densité d’énergie (travail par unité de volume) et de l’amplitude de la course maximale. Ces deux propriétés sont nettement supérieures au niveau des actionneurs en AMF par rapport aux actionneurs piézoélectriques. De plus, la résistivité électrique des AMF en titane-nickel (Ti-Ni), un type d’AMF largement utilisé dans la littérature, est très élevée : ceci permet d’obtenir un chauffage par effet Joule très efficace (Brailovski et al., 2003). De ce fait, il ne fait nul doute que les actionneurs en AMF et plus particulièrement les AMF Ti-Ni, communément appelé Nitinol, seront considérés pour la présente étude. Finalement, une description plus exhaustive des alliages à mémoire de forme est présentée dans la première section du deuxième chapitre de ce mémoire.

Localisation des actionneurs

Deux méthodes présentant comment les actionneurs sont positionnés par rapport à la structure d’accueil peuvent être répertoriées dans la littérature. Des avantages et des inconvénients peuvent être observés pour chacune de ces méthodes. La première méthode (Dano et Hyer (2003) et Seung-Man, Jae-Hung et In (2006), par exemple) propose de positionner les actionneurs complètement à l’extérieur du panneau (Figure 1.11a). Le principal avantage de cette méthode est que l’intégrité de la structure hôte est conservée. Toutefois, tout comme dans Coutu, Brailovski et Terriault (2010), Leung, Lau et Yu (2007) et Joo et Sanders (2009), la nécessité de positionner l’ensemble du système à l’extérieur de la structure hôte est très pénalisant. En effet, dans ces deux dernières études impliquant des ailes d’avion adaptatives, la localisation du système d’actionnement interfère avec celle des réservoirs d’essence et des éléments structuraux de l’aile Pour pallier à ce problème, la deuxième méthode (Calkins et Mabe (2010) et Thompson et Loughlan (2000), par exemple) propose d’intégrer directement les actionneurs au sein de la structure (Figure 1.11b).

L’adoption d’une telle méthode vient toutefois empêcher l’utilisation de certains types d’actionneurs puisque le caractère intrusif de ces derniers devient un paramètre critique à considérer. De ce fait, des actionneurs classiques comme les vérins pneumatiques ne peuvent pas être considérés lorsque cette méthode est adoptée. Ce sont davantage les actionneurs piézoélectriques et en AMF qui sont visés par cette méthode. En effet, le faible volume occupé par ces derniers permet de réduire au maximum le caractère intrusif des actionneurs, au sein des matériaux composites, par exemple. Ainsi, considérant que des actionneurs en AMF seront conjointement utilisés avec des matériaux composites, il est possible d’adopter la deuxième méthode de localisation des actionneurs (fil en AMF), où ces derniers sont intégrés directement dans la structure hôte (matériaux composites). Par ailleurs, dans le projet de chevrons adaptatif (Turner et al., 2007), les rubans d’AMF ont été intégrés de façon asymétrique selon la direction de l’épaisseur du chevron afin d’induire de la flexion lorsqu’ils sont chauffés (Figure 1.11b). De ce fait, le retour de la structure vers sa forme initiale est essentiellement assuré par l’élasticité de la structure elle-même……

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE DES PANNEAUX ADAPTATIFS
1.1 Vue d’ensemble des structures adaptatives
1.1.1 Modification des propriétés mécaniques
1.1.1.1 Amélioration du comportement post-flambage
1.1.1.2 Augmentation de la fréquence naturelle
1.1.1.3 Autoréparation suite à une rupture
1.1.2 Modification de la forme géométrique
1.1.2.1 Poutre adaptative en composite
1.1.2.2 Actionneurs spéciaux
1.1.2.3 Extrados adaptatif d’une aile d’avion
1.1.2.4 Chevrons à géométrie variable
1.1.2.5 Structure cellulaire antagoniste flexible
1.1.2.6 Aile d’avion à cambrure variable
1.1.3 Discussions
1.1.3.1 Structures adaptatives VS poutres et panneaux adaptatifs
1.1.3.2 Modification des propriétés mécaniques VS modification de la forme géométrique
1.1.3.3 Domaines de l’aéronautique VS les autres domaines
1.2 Composante des panneaux adaptatifs
1.2.1 Structure hôte
1.2.1.1 Matériaux composites
1.2.1.2 Panneau adaptatif en aluminium
1.2.1.3 Discussions
1.2.2 Actionneurs
1.2.2.1 Types d’actionneurs
1.2.2.2 Localisation des actionneurs
1.2.3 Interface structure hôte-actionneurs
1.2.3.1 Contact direct
1.2.3.2 Intégration d’une gaine
1.3 Approches de modélisation
1.3.1 Non-linéarités
1.3.1.1 Non-linéarité géométrique
1.3.1.2 Non-linéarité de contact
1.3.1.3 Non-linéarité des matériaux
1.3.2 Modélisation des structures adaptatives
1.3.2.1 Approche 1
1.3.2.2 Approche 2
1.3.2.3 Approche 3
1.3.3 Modélisation des différentes composantes
1.3.4 Modélisation des AMF à l’aide de relations constitutives
1.3.5 Discussion
1.4 Sommaire
1.4.1 Problématique de recherche
1.4.2 Objectifs du projet
CHAPITRE 2 INTRODUCTION AUX ALLIAGES À MÉMOIRE DE FORME
2.1 Principes fondamentaux des AMF
2.1.1 Transformation martensitique thermoélastique
2.1.2 Mécanismes de transformation et de déformation
2.1.3 Propriétés fonctionnelles des AMF
2.1.3.1 Effet mémoire de forme simple sens
2.1.3.2 Superélasticité
2.1.3.3 Génération de contrainte
2.1.3.4 Effet mémoire de forme double sens
2.2 Modèle micromécanique de Likhachev
2.2.1 Formulation 1-D
2.2.1.1 Algorithme de calcul
2.2.1.2 Orientation des régions
2.2.1.3 Influence de λ sur le comportement du modèle de Likhachev
2.2.2 Intégration du modèle au sein d’ANSYS
2.3 Sommaire
CHAPITRE 3 ARTICLE #1 : ADAPTATIVE COMPOSITE PANEL WITH EMBEDDED SMA ACTUATOR: MODELING AND VALIDATION
3.1 Avant-propos
3.2 Résumé (français)
3.3 Abstract
3.4 Introduction
3.5 Modeling strategy
3.5.1 Modeling of the host structure
3.5.2 Modeling of the SMAs
3.5.3 Modeling of the SMA-host structure interface
3.6 Selection of an appropriate finite elements model
3.6.1 Reference model built with solid FE
3.6.1.1 Presentation of the model
3.6.1.2 Selection of an appropriate model length
3.6.1.3 Selection of appropriate interface conditions
3.6.2 Simplified model built with link, beam and shell FE
3.6.2.1 Presentation of the model
3.6.3 Comparison of the reference and the simplified models
3.7 SMA actuators
3.7.1 Likhachev’s micromechanical model
3.7.2 Model calibration
3.8 Adaptive structure with SMA actuators: modeling and validation
3.8.1 Modeling and experimental setup
3.8.2 Presentation of the combined numerical model
3.8.3 Model validation
3.8.4 Asymmetrically-disposed actuators: panel warping
3.9 Conclusion
3.10 Acknowledgments
3.11 References
3.12 Annex 1: Validation of the reference finite element model using Timoshenko analytical formulation
3.13 Annex 2: Likhachev’s micromechanical model of SMAs
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I MODÈLE ANALYTIQUE DE TIMOSHENKO
ANNEXE II CODE APDL UTILISÉ DANS ANSYS
ANNEXE III ADAPTIVE COMPOSITE PANEL WITH EMBEDDED SMA
ACTUATORS: DESIGN, MANUFACTURING, TESTING
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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