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Optimisation des performances d'une structure de composite actionnées par des fils en alliages à mémoire de forme

Poulin-Masson, Jean-René (2016). Optimisation des performances d'une structure de composite actionnées par des fils en alliages à mémoire de forme. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le développement de structures adaptatives est un sujet de recherche qui prend des proportions de plus en plus grandes. Ces structures sont de plus en plus utilisées puisqu’elles permettent de répondre à un changement dans leurs conditions d’utilisation. L’un des domaines d’application les plus prometteurs est l’aérospatiale. Le développement des matériaux intelligents et l’avènement des matériaux composites dans ce domaine donnent de nouvelles opportunités de développement de structures adaptatives. En effet, beaucoup d’efforts sont déployés afin de développer des ailes ayant la capacité d’adapter leur géométrie afin de diminuer la consommation de carburant des avions modernes.

Le présent projet porte sur le développement d’une surface adaptative en composite adaptative applicable à l’extrados d’une aile d’avion. Il donne suite au projet CRIAQ 7.1, qui a fait la démonstration d’une aile laminaire adaptative. Le projet proposé ici table toutefois sur certaines problématiques identifiées à la suite de ce projet. L’objectif est donc de développer une surface adaptative actionnée par alliages à mémoire de forme ayant la capacité de conserver une géométrie déformée sans avoir recours aux actionneurs, et ce, en considérant la durée de vie de la surface. De plus, différents procédés de mise en forme ont été étudiés pour la surface de composite, à savoir; la mise en forme à partir de composite pré imprégné et l'infusion sous vide.

Le point de départ de la méthodologie proposée ici est d’identifier la géométrie de base ainsi que les géométries déformées souhaitées par le biais d’une analyse CFD. Ces éléments ont été conservés identiques au projet CRIAQ 7.1. Le contrôle d’une condition aux limites de la surface adaptative permettra de modifier la géométrie du composite à l’intérieur de cette enveloppe. L’obtention de la déformée cible se fait en optimisant l’empilement du composite. Pour y parvenir, un modèle ANSYS Mechanical APDL a été développé pour la partie adaptative de l’extrados. Une routine d’optimisation a également été développée afin de déterminer l’empilement qui permet de s’approcher au maximum de la déformée souhaitée. Les conditions sont telles que la surface adaptative est bloquée au bord d’attaque et le bord de fuite est mobile; l’application d’un déplacement tangent au bord de fuite permet de déformer la surface pour obtenir la géométrie désirée pour augmenter le ratio portance/traînée du profil d’aile.

La validité du modèle a été réalisée à l’aide du système GOM ARAMIS, qui permet de faire de la corrélation d’image. La pièce a été chargée sur une machine de traction/compression servohydraulique MTS 858 Mini-Bionix. Par le fait même, la durée de vie de l’extrados a été validée au moyen d’essais de fatigue. Un total de 1 000 000 de cycles de fatigue a été réalisé sur des échantillons de deux composites différents. Dans les deux cas, aucune dégradation significative en fatigue n’est observable. Toutefois, la répétabilitée des résultats était meilleure dans le cas du composite fabriqué à partir de pré imprégné; ce dernier a donc été sélectionné.

Un mécanisme d’actionnement ayant la capacité d’être bloqué à n’importe quelle position est proposé dans ce projet. Le mécanisme est muni d’un arbre à cames situé près du bord de fuite de l’extrados, ce qui permet de libérer un maximum d’espace sous l’aile. Des fils en alliage à mémoire de forme sont utilisés pour l’actionnement et l’arbre est bloqué en position au moyen d’un ressort de torsion, ce qui permet d’obtenir un mécanisme léger et compact. Les actionneurs sont des fils de Nitinol (Ni 50,26%Ti). L’effet mémoire de double sens assisté est utilisé afin de simplifier le mécanisme, qui peut être rappelé seulement au moyen de l’énergie élastique emmagasinée dans la surface de composite. Des traitements thermomécaniques et une séquence d’éducation sont proposés pour développer le comportement souhaité des fils d’AMF.

Finalement, un prototype de la surface adaptative avec le mécanisme d’actionnement et les actionneurs a été fabriqué afin de procéder à la validation expérimentale. Le mécanisme a permis de déformer la surface et de la bloquer en position. Certaines difficultés ont toutefois été observées avec les actionneurs. L’ajustement de la tension initiale sur ces derniers faisait défaut et l’amplitude désirée dans le mouvement n’a pas pu être obtenue. Alors que le déplacement désiré était de 2,1 mm, seulement 1,7 mm a pu être obtenu. Enfin, le contrôleur développé a permis le contrôle de la température des actionneurs à plus ou moins 2oC. Pour l’arbre à cames, le contrôle en position a permis de maintenir un angle à plus ou moins 1o de la position désirée.

Titre traduit

Optimisation of a morphing composite structure actuated by shape memory alloys

Résumé traduit

Morphing structures have gained a lot of attention lately; these structures have the ability to change their geometry in order to optimise their performances. One of the most promising field of applications is the aerospace, where their implementation could result in a significant performance gain. Recent developments in the fields of intelligent materials as well as advent of composites materials in aerospace structural components give new opportunities for the development of such structures. Indeed, many research projects have focussed on developing shape morphing wings, which could optimise their geometry in response to a variation of flight conditions in order to reduce fuel consumption.

The project described in this document focuses on the development of a morphing composite surface that can be applied to a wing extrados. It is an effort in pursuing the CRIAQ 7.1 project, which demonstrated that adapting the profile of a wing extrados could successfully promote the laminar flow over the surface and thus, improve fuel consumption. Specific objectives are formulated in this project in order to solve some drawbacks of the solution proposed in the CRIAQ 7.1 project. As a result, a methodology is propose to develop a composite surface actuated by intelligent materials that can be deformed without a continuous actuation in order to minimize the energy consumption of the solution. It is done considering the lifetime of the surface as well as the manufacturing process. The two composite manufacturing processes considered here were the infusion as well as out of autoclave molding from pre-impregnated composite.

The starting point of the proposed methodology is to identify the nominal geometry as well as the deformed geometry that optimises the laminar flow region over the extrados by a CFD analysis. These elements were already known from the CRIAQ 7.1 project and are identical for the present project. In order to obtain the proper morphed geometry, the composite’s layup is optimised. A model of the morphing surface is implemented in ANSYS Mechanical APDL as well as an optimisation sub routine to identify the lay-up that best match the targeted deformed geometry. The loading corresponds to a case where the leading edge of the extrados is fixed and the shape change is performed through the imposition of a tangent displacement at the trailing edge of the morphing surface.

The model was validated through mechanical testing on a servo-hydraulic traction machine MTS 858 Mini-Bionix using GOM ARAMIS, a digital image correlation device. The same machine was used to perform fatigue tests on 50 mm wide section of the extrados manufactured with the two processes studied. After 1 000 000 cycles, none of the sample shown evidence of fatigue degradation. However, a better repeatability in the general quality of the composite and a better repeatability of the results was observed for the pre impregnated composite, it was therefore selected for this application.

An actuation mechanism featuring a locking device was designed. The mechanism uses a camshaft located at the trailing edge of the extrados surface to apply the displacement, thus, freeing most of the space under the extrados. The locking device consists of a torsion spring wrapped around the camshaft and shape memory alloys wires are used to generate the rotation. The selected shape memory alloy is Nitinol (Ni 50,26%Ti). Thermo mechanical treatments were performed and a training routine was developed in order to develop the two way shape memory effect, which allows the mechanism to return to its nominal position without the use of external work.

A prototype of the mechanism designed to morph the extrados was manufactured and tested. The locking capable mechanism allowed to successfully morph the composite, however, full actuation was not reached. This is mainly due to the difficulty regarding the adjustment of the pre-tension in the actuators. While the desired displacement was 2,1 mm, only 1,7mm could be obtained. The controller developed for the application allowed a precise control of the temperature of the actuators as well as the position of the camshaft. The temperature was kept within 2oC from the command and the angular position was maintained within 1o.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par article présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 121-128.
Mots-clés libres: Avions Ailes Conception et construction. Composites Usinage. Composites Fatigue. Alliages à mémoire de forme. Actionneurs. adaptatif, extrados, surface, structure adaptative, optimisation de composite, extrados
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Terriault, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Dubé, Martine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 02 août 2016 13:19
Dernière modification: 02 août 2016 13:19
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1699

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