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

摘要

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.ududLe 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.ududLe 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.ududLa 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.ududUn 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.ududFinalement, 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.