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Conception, fabrication et caractérisation d’un panneau adaptatif en composite avec actionneurs en AMF intégrés

Lacasse, Simon (2013). Conception, fabrication et caractérisation d’un panneau adaptatif en composite avec actionneurs en AMF intégrés. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire a permis de développer un outil capable de prédire la géométrie d’un panneau adaptatif qui a la capacité de changer de géométrie selon les conditions auxquelles il est soumis. Ce panneau, tel que conçu pour ce projet, est constitué de deux principaux composants : la structure hôte qui assure l’intégrité structurale du panneau ainsi que le système d’activation intégré à même la structure hôte. La structure hôte est faite d’un composite à matrice polymère (Époxy : Araldite 8605 de Huntsman) renforcé de fibres (carbone : T300 unidirectionnel de Toray). Le système d’actionnement consiste en un fil d’alliage à mémoire de forme (Ti-50.26at%Ni de SAES Getters) de 1 mm de diamètre. Afin de générer un mouvement, les actionneurs sont positionnés de sorte à créer un décalage, selon l’épaisseur, entre le plan neutre du stratifié et l’axe des actionneurs. Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux particuliers qui ont la capacité de se contracter lorsqu’ils sont chauffés. Lors de leur chauffage par effet Joule, les actionneurs peuvent générer des forces qui sont transmises au panneau adaptatif par le biais d’un système de fixation. Un moment de flexion est ainsi généré grâce au décalage entre les actionneurs et le plan neutre du panneau, déformant ainsi le panneau adaptatif.

Le fondement de l’outil de conception est basé sur la combinaison de la rigidité de la structure hôte et de la capacité d’actionnement de l’AMF. Un modèle par éléments finis développé dans le logiciel Ansys 13 permet d’obtenir la rigidité de la structure hôte en fonction des différents paramètres (orientation, nombre de couches) du stratifié qui la compose et de la position de l’actionneur (position selon l’épaisseur, espace entre deux actionneurs). Selon ce modèle, il apparaît que le rayon de courbure d’un tel panneau est constant sur toute sa longueur et que la longueur du panneau n’influence pas les résultats. De plus, les résultats montrent que la rigidité est constante peu importe la déformation axiale de l’actionneur. Fait intéressant à noter, plus la distance entre les actionneurs est grande, plus la rigidité ressentie par chacun des actionneurs est élevée.

La capacité d’actionnement des AMF est évaluée de façon expérimentale. Pour débuter, il a été démontré qu’un traitement thermique de 550°C pendant une heure augmente de façon significative l’énergie produite par les actionneurs tout en modifiant leur température de transformation. Par la suite, une stabilisation de 100 cycles à 150 MPa des actionneurs permet de créer un comportement à effet mémoire de forme double sens tout en permettant de générer une contrainte suffisamment élevée. Finalement, l’enveloppe de fonctionnement de l’actionneur est créée en fonction des températures d’activation qui varient de 50°C à 150°C.

Les propriétés respectives des AMF et de la structure hôte permettent ensuite de créer le diagramme de conception. Ainsi, il est possible d’exprimer le rayon de courbure (objectif) en fonction de la température d’activation et de la configuration du stratifié. Cette relation est finalement vérifiée expérimentalement. Pour ce faire, un panneau adaptatif à 4 couches [903/FIL/90] est fabriqué selon la méthode de moulage par transfert de résine sous vide et installé sur un banc d’essai conçu à cet effet. À ce sujet, divers paramètres ont été explorés lors de la fabrication afin de trouver les conditions de fabrication adéquates. Il apparaît qu’une direction d’infusion perpendiculaire à l’orientation des actionneurs offre de meilleurs résultats. De plus, l’utilisation d’une gaine permet d’éliminer les gabarits de montage qui seraient nécessaires afin de tenir les actionneurs en place lors de la mise en forme et du traitement de post-polymérisation.

Les résultats montrent que, lorsque les actionneurs sont chauffés par effet Joule, le rayon de courbure mesuré se compare à ceux établis à partir de l’outil de conception. Toutefois, la température mesurée ne concorde pas avec les valeurs théoriques. Ainsi, il est nécessaire d’appliquer un facteur de correction sur la température mesurée en se basant sur les propriétés des AMF. Un tel facteur permet d’établir une correspondance entre le rayon de courbure mesuré et le rayon de courbure provenant de l’outil de conception. Ainsi, une méthode plus efficace de la mesure des températures est nécessaire.

Résumé traduit

This research project has developed a tool to predict the geometry of an adaptive panel which has the ability to change its geometry according to the surrounding conditions under which it is subjected. This panel, as designed for this project, consists of two main components: the host structure that ensures the structural integrity of the panel and the activation system embedded in the host structure. The host structure is made of a fiber-reinforced (carbon: Toray T300 unidirectional) polymer (Epoxy: Huntsman Araldite 8605). The actuation system consists of shape memory alloy wire (SAES Getters Ti-50.26at%Ni) of one mm diameter. To generate the movement, the actuators are positioned to create an offset, along the thickness, between the neutral plane of the laminate and the axis of the actuators. Shape memory alloys are special materials that have the ability to contract themselves when heated. When heated by Joule effect, the actuators contract and generate forces which are transmitted to the adaptive panel through a fixation device. A bending moment is thus generated by the difference between the actuator and the neutral plane of the panel, deforming the adaptive panel.

The design tool is based on the combination of the rigidity of the host structure and the operating capacity of the SMA. A finite element model is developed on the commercial software ANSYS 13. This model provides the stiffness of the host structure depending on various parameters of the laminate (orientation and number of plies) and of the actuator(position along the thickness, distance between two actuators). According to this model, it appears that the radius of curvature of such a panel is constant throughout its length and that the panel’s length does not influence the results. In addition, the results show that the stiffness is constant regardless of the axial deformation of the actuator. Interestingly, the greater the distance between the actuators, the greater is the stiffness felt by each actuator.

The operating capacity of the SMA is evaluated experimentally. It has been shown that heat treatment of 550°C for one hour significantly increases the energy produced by the actuators while changing their transformation temperature. Thereafter, a stabilization of 100 cycles at 150 MPa of the actuators creates the two-way shape memory effect while producing a sufficiently high generated stress. Finally, the operating envelope of the actuator is created based on the activation temperatures ranging from 50°C to 150°C.

The respective SMA and host structure properties are then used to create the adaptive panel’s design diagram. Thus, it is possible to express the radius of curvature (target)depending on the actuation temperature and on the laminate configuration. This relationship is finally verified experimentally. To do this, a 4-layer adaptive panel [903/WIRE/90] is produced by the vacuum assisted resin transfer molding method and installed on a testing bench designed for this purpose. In this regard, various parameters were investigated during manufacture to find the ideal manufacturing conditions. It appears that an infusion flow direction perpendicular to the actuators orientation offer better results. In addition, the use of a sheath eliminates the use of jigs which are necessary to keep the actuator in place during the forming processing and post-polymerization treatment.

The results show that when the actuators are heated by Joule effect, the measured radius of curvature is comparable to the one established from the design tool. However, the measured temperatures are not consistent with the theoretical values. Thus, it is necessary to apply a correction factor to the measured temperature based on the SMA properties. Such a factor is used to establish a correspondence between the measured radius of curvature and the radius of curvature obtained from the design tool. Thus, a more efficient method of temperature measurement is required.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliogr. : f. [111]-117.
Mots-clés libres: Actionneurs. Alliages à mémoire de forme. Composites. Méthode des éléments finis. Polymères. Stratifiés. adaptatif, AMF, caractérisation, conception, fabrication, panneau, structure.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 16 avr. 2013 19:46
Dernière modification: 10 mars 2017 02:23
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1159

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