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Développement d'un outil de conception pour les actionneurs AMF à rappel passif et actif prenant en compte l'influence des traitements thermomécaniques

Georges, Thomas (2012). Développement d'un outil de conception pour les actionneurs AMF à rappel passif et actif prenant en compte l'influence des traitements thermomécaniques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Un actionneur en alliage à mémoire de forme (AMF) se divise en trois sous-systèmes : 1) un élément actif AMF, 2) un élément de rappel permettant de réarmer le système et 3) une transmission. Ces trois éléments vont avoir un impact direct sur les propriétés d’actionnement. Ainsi, l’objectif principal de ce projet de recherche consiste à développer un outil de conception intégrant les caractéristiques de ces trois sous-systèmes. Pour cela, une méthodologie de caractérisation systématique des AMF est développée afin d’obtenir ses caractéristiques mécaniques qui permettent de définir l’enveloppe de travail de l’actionneur dans l’espace contrainte-déformation.

Dans un premier temps, une méthodologie de conception des actionneurs AMF dits « à rappel passif » est développée. Ce type d’actionneur est défini par la combinaison de l’AMF avec un système de réarmement mécanique comme un ressort. La méthodologie de conception est illustrée par l’intermédiaire du projet CRIAQ 7.1 (2006-2008) intitulé « Amélioration de l’écoulement laminaire sur une voilure aéroélastique » dans lequel les actionneurs AMF sont utilisés pour modifier le profil géométrique d’un prototype d’aile d’avion. Le mécanisme d’actionnement utilisé se compose de quatre sous-systèmes : 1) l’élément actif AMF, 2) l’élément de rappel passif (ressort à gaz), 3) l’extrados flexible et 4) le système de transmission. En se basant sur une série d’essais de caractérisation, l’enveloppe de travail de l’actionneur sélectionné est définie. La combinaison de l’enveloppe de travail avec les exigences fonctionnelles du projet permet un dimensionnement de l’élément actif (longueur, section), de l’élément de rappel (force de rappel, rigidité…) et du système de transmission (ratio de transmission). Les résultats provenant de cette méthodologie de design sont testés expérimentalement afin de valider l’outil développé.

Par la suite, l’impact des paramètres de mise en forme est présenté. La mise en place d’un système de chauffage du fil en alliage à mémoire de forme à l’entrée de la zone de déformation par laminage permet de définir différents chemins thermomécaniques et de produire de manière reproductible des échantillons. L’idée est de combiner le laminage à froid et à tiède avec des recuits intermédiaires afin d’augmenter les propriétés dans le sens du laminage et ainsi d’obtenir un matériau nanocristallin texturé. La contrainte générée par chaque d’échantillon est analysée afin d’illustrer l’influence des traitements thermomécaniques sur les propriétés fonctionnelles. Finalement, la tendance semble indiquer que l’apport d’énergie sous forme thermique lors de la mise en forme baisse la contrainte générée, mais augmente la durée de vie des échantillons produits.

Ce constat démontre l’importance de développer une méthodologie de caractérisation simple, rapide et efficace des AMF afin d’obtenir rapidement les capacités de l’élément actif (enveloppe de travail). Pour répondre à cette problématique, un banc d’essai automatisé et dédié à la caractérisation systématique des AMF est mis en place. Ce système d’essai a plusieurs objectifs : 1) déterminer les propriétés fonctionnelles, 2) simuler le comportement d’un actionneur à rappel passif et 3) simuler le comportement d’un actionneur AMF antagoniste. Une multitude de comportements mécaniques peut être imitée afin de reproduire des conditions réelles d’application. Ce banc d’essai servira donc pendant les phases de conception et de validation des actionneurs AMF.

Finalement, le développement et la mise en service du banc d’essai automatisé admettent l’étude des actionneurs AMF à rappel actif (ou antagoniste) où deux éléments actifs sont connectés ensemble. L’objectif avec ce type d’actionneur AMF est de diminuer le poids du système et de décupler les possibilités d’actionnement par un contrôle indépendant de la température de chacun des éléments AMF. Une méthodologie adaptée de caractérisation est donc mise en place afin d’évaluer les performances d’un actionneur AMF antagoniste. Une combinaison de différents modes de caractérisation est utilisée afin de déterminer le travail mécanique disponible pour des essais multi cycles. Un exemple d’application sera présenté afin d’illustrer et de comprendre la méthodologie de caractérisation de ce type d’actionneur AMF.

Titre traduit

Design tool development for passive and active bias SMA actuators including the influence of thermomechanical treatments

Résumé traduit

Shape memory alloy (SMA) actuator consists of three subsystems: 1) SMA active element, 2) bias element to reset the system and 3) transmission. These three components have a direct impact on actuator capabilities. The main objective of this research project is to develop a design tool including the characteristics of its three subsystems. To do so, a systematic characterization methodology of SMA materials is developed to obtain its mechanical characteristics that define the actuation working envelope in the stress-strain space.

Firstly, a design methodology for a so-called "SMA passive bias actuator" is developed. This actuator type is defined by the combination of the SMA with a mechanical bias system as elastic spring. The design methodology is illustrated using CRIAQ 7.1 project (2006-2008) entitled "Laminar flow improvement of aeroelastic wing" in which the SMA actuators are used to modify the geometric profile of an airplane wing prototype. The actuator configuration consists of four subsystems: 1) SMA active element, 2) passive bias element (gas spring), 3) flexible extrados and 4) the transmission system. Fulfilling the requirements imposed by the morphing wing application to the force-displacement characteristics of the actuators, a novel design methodology to determine the geometry of the SMA active elements and their adequate assembly conditions is presented. This methodology uses the results of the constrained recovery testing of the selected SMA. Using a prototype of the morphing laminar wing powered by SMA actuators, the design approach proposed herein is experimentally validated.

Secondly, the influence of manufacturing parameters on the SMA properties is studied. The rolling mill is modified and a heating module placed before the deformation zone is developed. Thermo mechanical routes are defined by combinations of cold and warm rolling with intermediate annealing. These routes are compared to determine the processing conditions that will best allow the production of nanostructured Ti-Ni shape memory alloy, while reducing mechanical damage from rolling and enhancing the material texture. The processed alloy is characterized using constrained stress recovery technique in cyclic regime. The results of such a comparative functional characterization of nanostructured Ti-Ni alloy obtained by six different manufacturing routes are discussed. The warm rolling decreases the stress recovery and leads to longer fatigue life due to a higher ductility and lower damage accumulation during deformation.

It becomes important to develop a simple, fast and effective methodology for characterizing SMA actuator to obtain quickly the capabilities of the active element (working envelope). To address this problem, an automated test bench dedicated to the systematic SMA characterization has been developed. This test bench has several objectives: 1) to characterize the SMA active element (force and stroke generated), 2) to simulate the behavior of passive bias actuators and 3) to simulate the behavior of active bias actuator. A multitude of strainstress characteristics can be replicated to mimic real application conditions. Therefore, the developed test bench could support both the design and validation phases of an SMA actuation system development process.

Finally, the development of the automated test bench allows the study of active bias SMA actuators where two active elements are connected together. The objective with this type of SMA actuator is to reduce the system weight and increase the actuation capabilities by an independent temperature control of each SMA. This part focuses on the development of a systematic experimental approach for performance evaluation of active bias SMA actuators. A specific combination of different characterization modes applied to these actuators is used to evaluate the work generation potential of active bias SMA actuator in multiple-cycle actuation mode. An application example is presented to illustrate and understand the characterization methodology of this type of SMA actuator.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliogr. : f. [151]-155.
Mots-clés libres: Alliages à mémoire de forme. Actionneurs Conception et construction. Alliages à mémoire de forme Traitement thermomécanique. Actif, Caractérisation, Élément, Enveloppe, Passif, Rappel, Travail.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 20 mars 2012 18:05
Dernière modification: 04 mars 2017 00:50
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/979

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