Conception et validation expérimentale de la structure d’une aile déformable et de son système d’actionnement

Barry, David (2017). Conception et validation expérimentale de la structure d’une aile déformable et de son système d’actionnement. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire est une synthèse des travaux effectués sur la structure métallique et sur le mécanisme de déformation d’une section d’aile d’avion avec peau supérieure déformable ce projet fut complété dans le cadre du projet MDO505 (Morphing Architectures and Related Technologies for Wing Efficiency Improvement) financé par le CRIAQ (Consortium de Recherche et Innovation en Aérospatiale du Québec).

Les premiers travaux ont été de dimensionner les composantes métalliques de la section d’aile fournie par Bombardier aéronautique. Étant donné le détachement de la peau supérieure et de l’intégration d’un mécanisme d’actionnement, la conception de la section d’aile a été adaptée. Ceci a impliqué de faire un dessin 3D, un modèle par éléments finis et des calculs de contraintes sous différents chargements.

La seconde partie des travaux a été de faire la conception d’un mécanisme pour déformer la peau supérieure de l’aile. Un actionneur linéaire a été conçu pour être intégré dans l’aile et déformer la peau supérieure de +/- 5 mm. Un vérin à vis trapézoïdale a été modélisé en détail et les composantes ont été dimensionnées en fonction du chargement de 4000 N en statique et d’un chargement de 1500 N en dynamique (vitesse de 1 mm/s).

Ensuite, l’actionneur a été fabriqué et testé pour vérifier la force et la vitesse d’actionnement. L’endurance a également été testée pour vérifier la fiabilité de l’actionneur. L’actionneur a été testé sur une machine de traction. Les tests ont démontré que l’actionneur respectait les contraintes de conception.

Le but ultime du projet était de tester la section d’aile avec la charge correspondante aux conditions de vol normal tout en déformant la peau supérieure. Or, l’aile assemblée avec 4 actionneurs a été testée structurellement sur un banc de test. Des jauges de déformation ont été installées sur toutes les composantes critiques pour mesurer les contraintes. Ceci a permis de comparer les résultats expérimentaux avec ceux du dimensionnement par éléments finis des composantes de l’aile. Les données théoriques et expérimentales sont semblables mis à part quelques différences expliquées par des effets non linéaires et des erreurs de mesures.

Les travaux de ce mémoire ont permis de démontrer qu’une section d’aile avec la peau supérieure déformable peut être dimensionnée selon une méthode utilisée en aéronautique. De plus, un système d’actionnement peut être intégré à l’intérieur et peut déformer la peau supérieure en condition de vol.

Titre traduit

Design and experimental validation of a morphing wing structure and his mecanism

Résumé traduit

This master thesis is a synthesis of the work on sizing of structural elements of a morphing wing and the design and manufacturing of it’s morphing mechanism. This work was part of the MDO 505 project (Morphing Architectures and Related Technologies for Wing Efficiency Improvement) funded by CRIAQ (Consortium for Research and Innovation in Aerospace)

The first step of the project was to size the metal structure of the wing section using a method provided by Bombardier Aerospace. Because of the detachment of the upper skin and the integration of a morphing mechanism, the design of the wing section was adapted. This was performed using a global finite element model (GFEM) to extract design loads for analytical calculations of stresses under different loads.

The second part of the project was to design a mechanism to deform the upper wing skin. A linear actuator was designed to be incorporated into the wing and deform the upper skin of +/- 5 mm. An actuator with an Acme screw was modeled in detail and the components were dimensioned according to a static load of 4000 N and a dynamic load of 1500 N (at a speed of 1mm/s).

The actuator was then manufactured and tested against the strength and speed of actuation on a tensile testing machine. The endurance was also tested to verify the reliability before malfunctioning. These tests have shown that the actuator meet the design constraints.

The ultimate goal of the project was to test the wing section under normal flight loads while demonstrating that the upper skin can be deformed. The wing assembly with four actuators was therefore tested structurally on a test bench. Strain gauges were installed on all major components to measure strain and compare the experimental results with those of the finite element model. Results showed that strains are similar except for a few differences explained by nonlinear effects and measurement errors.

Overall, the work of this master thesis has validated that a wing section with an morphing upper skin can be sized according to the standards of Bombardier. In addition, an actuator system can be fitted inside the wing and morph the upper skin in flight conditions.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieures comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 185-187.
Mots-clés libres:	Avions Ailes Conception et construction. Actionneurs Conception et construction. Avions Ailes Modèles mathématiques. Méthode des éléments finis. Essais (Technologie) adaptatif, déformable, dimensionnement, aile déformable, validation expérimentale
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Joncas, Simon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	02 mars 2018 21:01
Dernière modification:	20 sept. 2018 20:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1792

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