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Développement d'actionneurs en alliage à mémoire de forme pour un prototype d'aile d'avion adaptative

Morellon, Émeric (2010). Développement d'actionneurs en alliage à mémoire de forme pour un prototype d'aile d'avion adaptative. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans le contexte actuel, le fait de réduire la consommation de carburant des avions constitue à la fois un enjeu écologique, car il irait de pair avec une réduction des gaz à effet de serre, mais aussi économique, la raréfaction des énergies fossiles ne pouvant qu’entraîner une hausse du prix du kérosène à long terme. Ceci peut être obtenu grâce à une réduction de la traînée des ailes, qui se traduirait par une baisse de l’énergie que devront générer les moteurs. C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet CRIAQ 7.1, nommé Amélioration de l'écoulement laminaire sur une voilure aéroélastique, et financé par le Consortium de recherche et d’innovation en aérospatiale au Québec (CRIAQ), le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), Bombardier Aéronautique et Thales Canada, et est réalisé par deux universités québécoises, l’École de technologie supérieure (ÉTS) et l’École polytechnique de Montréal, ainsi que par le laboratoire d’aérodynamique du Conseil National de Recherche du Canada - Institut de recherche en aérospatiale (CNRCIRA). L’objectif est la réalisation d’un système actif permettant de retarder l’apparition de la transition laminaire/turbulent de l’écoulement sur l’aile.

Pour cela, un prototype d’aile adaptative est conçu et réalisé, et est composé de trois éléments principaux hormis la structure rigide : une peau flexible sur laquelle sont installés des capteurs de pression pour détecter la position de la transition, un contrôleur et des actionneurs intelligents. Ces derniers sont composés de fils d’alliage à mémoire de forme (AMF) jumelés à un élément de rappel et permettent de modifier la géométrie de l’aile selon les conditions de vol. Celles-ci dépendent de la vitesse de l’écoulement (le nombre de Mach variant entre 0,2 et 0,35) et de l’angle d’attaque de l’aile, variant entre -1º et 2º. L’équipe de l’École polytechnique a généré une série de profils optimisés adaptés à chacune des configurations étudiées, et un modèle numérique décrivant le comportement de la peau flexible a été développé par le Laboratoire sur les alliages à mémoire et systèmes intelligents (LAMSI) à l’ÉTS. Les résultats de ces études montrent que les mouvements de la peau devront être obtenus à partir de ceux de deux lignes d’action. Celles-ci devront être capables de générer des déplacements verticaux de 8 mm par rapport à leur position de référence dans le but d’obtenir des profils les plus proches possible des profils optimisés. Le modèle numérique a aussi permis de connaître les forces et déplacements requis aux deux lignes d’action, qui doivent être générés par les actionneurs et transmis à la peau flexible par l’intermédiaire d’un système de transmission.

Le présent mémoire décrit le procédé de dimensionnement qui a mené au choix de la géométrie des actionneurs, c'est-à-dire de la longueur et de la section nécessaires des éléments actifs permettant d’obtenir les forces et déplacements requis. Le premier paramètre à fixer est la force de l’élément de rappel, qui doit maintenir la peau dans sa position nominale en l’absence d’actionnement mais en présence de succion aérodynamique. Afin d’obtenir le mouvement de la peau, les actionneurs se retrouvent confrontés aux forces créées par l’élément de rappel et par la déformation de la peau, mais sont aidés pour cela par la force de succion liée au chargement aérodynamique.

Le comportement des alliages à mémoire de forme étant difficile à modéliser, la méthode de dimensionnement la plus couramment utilisée est celle dite par essais et erreurs. Dans le cadre de cette étude, une caractérisation en laboratoire d’échantillons de faibles dimensions a permis de déterminer l’enveloppe des forces et déplacements que ceux-ci peuvent générer pour une déformation initiale, une température d’actionnement et un nombre de cycles donnés. Ensuite, une méthode de design basée sur la mise à l’échelle de ces résultats est mise en oeuvre afin de déterminer la géométrie des actionneurs qui sont installés dans l’aile.

Il en ressort qu’une géométrie constituée de 6 fils d’alliage nickel-titane ayant subi une préparation thermomécanique préalable (laminage à froid et traitements thermiques), de longueur 1800 mm et de section unitaire 0,7 mm2 satisfont aux exigences de l’application. Lors de l’installation dans le prototype, ils sont déformés à froid, ce qui leur permet de générer les courses et forces nécessaires pour déformer la peau flexible lorsqu’ils sont chauffés.

Le prototype d’aile adaptative a été validé expérimentalement au cours de trois séries d’essais en soufflerie, en octobre 2008, puis en février et mai 2009, au cours desquelles tous les paramètres des actionneurs AMF ont été mesurés (forces, déplacements, etc.) et comparés aux valeurs prévues lors de la phase de dimensionnement. Les mesures expérimentales ont validé la démarche développée dans ce mémoire.

Titre traduit

Design of shape memory alloy actuators for a morphing wing prototype

Résumé traduit

Reducing fuel consumption of modern aircrafts is at the same time an ecological challenge, because it is associated with a reduction of greenhouse gases emissions, and an economical challenge, because due to fossil energy rarefaction, increases in fuel prices are burning issues. These goals may be achieved by reducing wing drag, and consequently engine power. This project is financed by the Consortium for research and innovation in Aerospace in Quebec (CRIAQ), the Natural sciences and engineering research council of Canada (NSERC), Bombardier Aerospace and Thales Canada, and named 7.1 - Laminar flow improvement on an aeroelastic research wing. It is executed by two universities, École de technologie supérieure (ÉTS) and École polytechnique de Montréal, and also by the National Research Council Canada - Institute for Aerospace Research (NRC-IRA). The aim of this project is to develop an active system in order to delay the laminar-to-turbulent transition appearance on the wing.

For this study, a morphing wing prototype is designed and built. It is made of three main components apart the rigid structure: a flexible extrados on which pressure sensors are installed to detect the location of the transition, a controller, and smart actuators which move the flexible extrados through a transmission system. These actuators are made of shape memory alloy (SMA) wires placed in parallel of the bias element. They can modify the wing airfoil geometry depending of the flight conditions. These depend of the flow speed (Mach number varying from 0,2 to 0,35), and the angle of attack, varying from -1º to 2º. Optimised airfoils, which can adapt to each studied configuration, have been developed by École polytechnique. A numerical model describing the flexible extrados behavior is built by the Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systems intelligents (shape memory alloys and smart systems laboratory), at ÉTS. The results of these studies show that the extrados profile should be controlled by two individually controlled actuators placed along the wing chord. They must be able to generate 8 mm vertical displacement from their reference position in order to reach the optimized airfoils. The numerical model gives the forces and strokes required at the two actuation lines, which must be generated by the actuators and transmitted to the flexible extrados through the transmission system.

To meet the functional requirements of the application, the geometry (length and crosssection) of the SMA active elements and the bias spring characteristics are calculated in this thesis. For that, the first parameter that must be fixed is the force of the bias element, which has to maintain the skin in the nominal position in presence of the aerodynamic suction and without actuation. In order to move the skin, the actuators must fight the force of the bias element and the deformation of the flexible extrados, but are helped for that by the suction force of the aerodynamic loading.

Because shape memory alloys’ behaviour is difficult to model, the design process is mostly based on a trial-and-error approach. For this study, a characterization of small-dimensions SMA wires allowed to determine the force-stroke envelope, for a given value of the initial strain, actuation temperature and number of cycle. Then, the actuator geometry for the wing prototype can be defined, thanks to a design method based on a scaling of these results.

A 6 wires configuration, each 1800 mm length and 0.7 mm2 cross-section, and made of nickel-titanium alloy (Ti-50.26 at% Ni) appears to satisfy the requirements of the application, once subjected to a preliminary thermo-mechanical preparation (30% cold rolling and heat treatments at 300ºC). These wires are cold-deformed during their installation into the prototype, to generate the strokes and forces required to deform the flexible extrados, once activated.

The morphing wing prototype has been experimentally tested three times in a wind tunnel, in October 2008, and then in February and May 2009. The SMA actuators’ parameters (forces, displacements, etc.) were measured and compared to the predicted values found during the design process. The experimental results allowed the validation of the methodology developed in this master thesis.

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]-114.
Mots-clés libres: Actionneurs Aérodynamique. Alliages à mémoire de forme. Avions Ailes. Souffleries aérodynamiques. adaptative, Ni-Ti
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: 24 août 2010 13:26
Dernière modification: 08 févr. 2017 22:07
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/280

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