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Conception et optimisation d'une peau en composite pour une aile adaptative

Michaud, François (2014). Conception et optimisation d'une peau en composite pour une aile adaptative. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les préoccupations économiques et environnementales constituent des enjeux majeurs pour le développement de nouvelles technologies en aéronautique. C'est dans cette optique qu'est né le projet MDO-505 intitulé Morphing Architectures and Related Technologies for Wing Efficiency Improvement. L'objectif de ce projet vise à concevoir une aile adaptative active servant à améliorer sa laminarité et ainsi réduire la consommation de carburant et les émissions de l'avion. Les travaux de recherche réalisés ont permis de concevoir et optimiser une peau en composite adaptative permettant d'assurer l'amélioration de la laminarité tout en conservant son intégrité structurale.

D'abord, une méthode d'optimisation en trois étapes fut développée avec pour objectif de minimiser la masse de la peau en composite en assurant qu'elle s'adapte par un contrôle actif de la surface déformable aux profils aérodynamiques désirés. Le processus d'optimisation incluait également des contraintes de résistance, de stabilité et de rigidité de la peau en composite. Suite à l'optimisation, la peau optimisée fut simplifiée afin de faciliter la fabrication et de respecter les règles de conception de Bombardier Aéronautique. Ce processus d'optimisation a permis de concevoir une peau en composite dont les déviations ou erreurs des formes obtenues étaient grandement réduites afin de répondre au mieux aux profils aérodynamiques optimisés. Les analyses aérodynamiques réalisées à partir de ces formes ont prédit de bonnes améliorations de la laminarité.

Par la suite, une série de validations analytiques fut réalisée afin de valider l'intégrité structurale de la peau en composite suivant les méthodes généralement utilisées par Bombardier Aéronautique. D'abord, une analyse comparative par éléments finis a permis de valider une rigidité équivalente de l'aile adaptative à la section d'aile d'origine. Le modèle par éléments finis fut par la suite mis en boucle avec des feuilles de calcul afin de valider la stabilité et la résistance de la peau en composite pour les cas de chargement aérodynamique réels. En dernier lieu, une analyse de joints boulonnés fut réalisée en utilisant un outil interne nommé LJ 85 BJSFM-GO.v9 développé par Bombardier Aéronautique. Ces analyses ont permis de valider numériquement l'intégrité structurale de la peau de composite pour des chargements et des admissibles de matériaux aéronautiques typiques.

Titre traduit

Design and optimization of a composite skin for a morphing wing

Résumé traduit

Economical and environmental concerns are major issues for the development of new aircraft technologies. The MDO-505 project entitled Morphing Architectures and Related Technologies for Wing Efficiency Improvement was developped in this perspective. The project objective is to design a morphing wing to improve its laminarity and therefore to reduce the fuel consumption and emissions of the aircraft. The research carried out has led to the design and the optimization of a composite morphing skin to ensure laminarity improvement while maintaining its structural integrity.

First, a three-step optimization method was developped with the minimization of the composite skin mass as an objective while ensuring it best fits the target aerodynamic shapes by a morphed control surface. The optimization process also included strength, buckling and stiffness constraints. Following optimization, the optimized skin was simplified in order to ease manufacturing and to respect Bombardier Aerospace's composite design guidelines. The whole optimization process has allowed the design of a composite skin which shape deviations or errors were greatly reduced to best match the desired aerodynamic airfoils. The aerodynamic analyzes conducted on these shapes predicted significant laminarity improvement.

Subsequently, a serie of analytical validations was performed to validate the structural integrity of the composite skin according to the methods generally used by Bombardier Aerospace. First, a comparative analysis was made to validate the morphing wing stiffness is similar to the original wing section. The finite element model was subsequently looped with spreadsheets to validate the buckling and the strength of the composite skin at the actual aerodynamic loads. Finally, a bolted joint analysis was performed using an internal tool named LJ 85 BJSFM-GO.v9 developed by Bombardier Aerospace. These analyzes were used to numerically validate the structural integrity of the composite skin for typical loads and material allowables.

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 aérospatial". Bibliographie : pages 185-190.
Mots-clés libres: Avions Ailes Conception et construction. Avions Ailes Matériaux. Composites. Écoulement laminaire. Aérodynamique. Avions Carburants Consommation Aspect de l'environnement. adaptatif, aile adaptative, conception, éléments finis, modélisation, optimisation, peau, modèle de soufflerie
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Joncas, Simon
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 06 juill. 2015 19:14
Dernière modification: 19 avr. 2017 20:42
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1333

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