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Modélisation de matériaux composites adaptatifs munis d'actionneurs en alliage à mémoire de forme

Simoneau, Charles (2013). Modélisation de matériaux composites adaptatifs munis d'actionneurs en alliage à mémoire de forme. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le développement technologique de structures ayant la capacité de s’adapter à différentes conditions d’utilisation est grandissant dans plusieurs sphères d’activité comme celle de l’aéronautique. En effet, beaucoup de projets sont maintenant orientés vers la conception d’ailes d’avion adaptatives où le but recherché est d’augmenter les propriétés aérodynamiques de ces ailes.

Dans cette avenue, les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire présentent les étapes qui ont mené à la réalisation d’un modèle numérique pouvant être utilisé pour prédire le comportement d’un panneau adaptatif, et donc, éventuellement d’une aile d’avion adaptative.

Tout d’abord, le panneau adaptatif de ce projet a été conçu à partir d’un composite carboneépoxy, agissant en tant que structure d’accueil, où des fils en alliage à mémoire de forme (AMF), agissant en tant qu’actionneurs, ont été insérés au sein de ce dernier. Les actionneurs en AMF ont, par ailleurs, été positionnés de façon asymétrique, selon la direction de l’épaisseur du panneau, afin qu’un moment de flexion soit généré lorsque ces derniers sont activés.

Pour parvenir à modéliser une telle structure, un premier modèle numérique composé uniquement d’éléments finis de type solide a été analytiquement validé. Un second modèle numérique composé d’éléments finis de type coque, poutre et tige a démontré que des résultats identiques à ceux du premier modèle pouvaient être obtenus. Considérant que le premier modèle était composé de plus de 300 000 noeuds comparativement à 1 000 noeuds pour le second, le choix du type d’éléments finis à employer s’est arrêté sur la combinaison coque-poutre-tige.

Par la suite, une loi de matériau spéciale a dû être employée afin de pouvoir modéliser le comportement particulier des AMF, soit le modèle micromécanique de Likhachev. Pour ce projet, c’est une version uniaxiale du modèle qui a été utilisée. De plus, à l’aide d’une formulation mathématique assez directe, cette relation constitutive a permis de modéliser pratiquement toutes les propriétés fonctionnelles des AMF dont l’effet mémoire de forme double sens (TWSME) à contrainte nulle obtenu suite à un traitement d’éducation thermomécanique. Pour ce faire, une orientation cristallographique préférentielle a été modélisée au niveau des actionneurs, ceci est d’ailleurs un aspect original de ce projet.

La dernière étape a consisté à regrouper les dernières considérations afin de concevoir le modèle numérique expérimentalement validé à l’aide d’un prototype où 19 fils ont été insérés au sein d’un panneau de 425 mm x 425 mm. À cet effet, dans le but de comparer le modèle numérique avec le prototype, divers cas de chargements ont été réalisés.

Néanmoins, durant les essais expérimentaux, l’incapacité des thermocouples à mesurer adéquatement la température des actionneurs a provoqué une sous-estimation systématique. Par conséquent, en comparant le rayon de courbure du panneau en fonction de la température des actionneurs, un décalage (en température) entre les courbes obtenues de façon expérimentale et numérique est observable. Mise à part cette difficulté technologique, les résultats expérimentaux et numériques sont très comparables et par conséquent, ce modèle numérique peut être utilisé pour prédire le comportement d’un panneau adaptatif. Par ailleurs, un des principaux avantages de ce modèle numérique réside au niveau de sa versatilité où il a été démontré qu’un « gauchissement » du panneau pouvait être réalisé en contrôlant les actionneurs de manière indépendante.

Les travaux futurs devront évidemment se concentrer sur la lecture de la température tout en considérant le raffinement du modèle numérique et la possibilité de modéliser un panneau adaptatif initialement courbé dont la forme pouvait s’apparenter à une aile d’avion.

Résumé traduit

Technological development of structures having the capabilities to adapt themselves to different operating conditions is increasing in many areas of research such as aerospace. In fact, numerous works are now oriented toward the design of adaptive aircraft wings where the goal is to enhance the aerodynamic properties of the wing.

Following this approach, the work realised in the framework of this master thesis presents the steps leading to the creation of a numerical model that can be used to predict the behavior of an adaptive panel, and therefore, ventually of an adaptive aircraft wing.

Foremost, the adaptive panel of this project has been designed from a carbon-epoxy composite, acting as host structure, where shape memory alloy (SMA) wires, acting as actuators, have been inserted in it. SMA actuators have also been embedded asymmetrically along the direction of the panel thickness in order to generate a bending moment when the SMA wires are activated.

To achieve the modeling of such structure it has been firstly shown that a numerical model composed of only solid finite elements could be used to represent the panel. However, a second numerical model composed of shell, beam and link finite elements showed that identical results can be obtained with much less nodes (the first model was composed of more than 300 000 nodes compared with 1 000 nodes for the second). The combination of shell-beam-link elements has then been chosen.

Secondly, a constitutive relation had to be used for modeling the particular behavior of SMA. For the present work, a uniaxial version of the Likhachev’s model is used. Due to its fairly straightforward mathematical formulation, this material law is able to model the main functional properties of SMA including the two-way shape memory effect (TWSME) at zero stress obtained after a thermomechanical education treatment.

The last step was to compare the results of the numerical simulations with those obtained with a prototype where 19 actuators were embedded in a composite panel of 425 mm x 425 mm. Various load cases were performed.

However, during experimental tests, it has been found that the measured actuator temperature was systematically underestimated. Therefore, by comparing the radius of curvature (ρ) of the panel as a function of the activation temperature (T) of the actuators, an offset (in temperature) between the curves numerically and experimentally obtained is observable. Aside from this technological difficulty, the experimental and numerical results are very similar and therefore, this numerical model can be used for predicting the behavior of an adaptive panel. In addition, one the main advantages of this numerical model resides in its versatility where it has been shown that a “warping” of the panel could be realized by controlling independently each actuator.

Future works should now obviously focus on the temperature measurement while considering the improvement of the numerical model and the possibility to model an initially curved adaptive panel whose form could resemble an aircraft wing.

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. : p. [147]-151.
Mots-clés libres: Composites. Composites Modèles mathématiques. Actionneurs. Alliages à mémoire de forme. Méthode des éléments finis. Avions Ailes. Thermocouples. adaptatif, alliage, Likhachev, modèle, panneau, structure, analyse
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 04 juill. 2013 20:10
Dernière modification: 10 mars 2017 21:44
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1177

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