actionneur sma aile avion

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COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE UNIVERSIT DU QUBEC MMOIRE PRSENT LCOLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE LOBTENTION DE LA MATRISE EN GNIE MCANIQUE M. Ing. PAR MORELLON, meric DVELOPPEMENT DACTIONNEURS EN ALLIAGE MMOIREDE FORME POUR UN PROTOTYPE DAILE DAVION ADAPTATIVE MONTRAL, LE 17 FVRIER 2010 meric Morellon, 2010 PRSENTATION DU JURY CEMMOIRE A T VALU PAR UN JURY COMPOS DE : M. Patrick Terriault, directeur de mmoire Dpartement de gnie mcanique lcole de technologie suprieure M. Vladimir Brailovski, codirecteur de mmoire Dpartement de gnie mcanique lcole de technologie suprieure Mme Franoise Marchand, prsidente du jury Dpartement de gnie mcanique lcole de technologie suprieure M. Hakim Bouzid, membre du jury Dpartement de gnie mcanique lcole de technologie suprieure IL A FAIT LOBJET DUNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 12 JANVIER 2010 LCOLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE REMERCIEMENTS JetienstoutdabordremerciermessieursPatrickTerriaultetVladimirBrailovski,qui taientrespectivementdirecteuretco-directeurderecherchedurantcettematrise,pour mavoirintgrcegrandprojetquestceluidelaileadaptative.Leuraideetleurtrs grande disponibilit mont t trs utiles tout au long de ce projet trs vari, qui sest droul aussibiendevantuncrandordinateurquedanslelaboratoire,surunemachine-outilou encoredansunesoufflerie.Jaiainsipuapprofondirmonexpriencedansledomainede laronautique, qui ma toujours fascin, mais aussi dcouvrir le monde tonnant des alliages mmoire de forme. Merciauxtechniciensdudpartementdegniemcanique,notammentMichel,Patrick, Alain, Serge et Jean-Guy qui ont pu nous viter de nombreux maux de tte par leurs conseils aviss,maisaussipourtoutletempsquilsontpassavecnouspourchercherlasolution certains soucis exprimentaux (ah, llectronique!). Merciaussiceuxquionttmescompagnonsdetouslesjourssurceprojet,savoir Thomas,Daniel,Charles,Sbastien et Jean-Sbastien, mais aussi tous les autres membres de la grande famille du LAMSI, c'est--dire Alexandre, Davy, Julien, Kajsa, Pierre-Luc, Yan, Yannick et Vincent, notamment pour tous ces moments de bonne humeur, que a soit assis nos bureaux, devant un bon expresso ou encore sur un terrain de badminton Je tiens aussi remercier tous les amis que jai rencontrs et ctoys tout au long de ma vie Montral,etquimontpermisdemesentiricichezmoi,mmeentantprsdesix mille kilomtresdelamaison.Ilssonttropnombreuxpourtrecitsicimaisilsse reconnatront jen suis sr. Et pour finir un grand merci ma famille pour mavoir soutenu et encourag tout au cours de ma scolarit, qui sachve avec la rdaction de ce mmoire. Il est maintenant temps de faire le grand saut et de plonger dans le monde du travail ! DVELOPPEMENT DACTIONNEURS EN ALLIAGE MMOIREDE FORME POUR UN PROTOTYPE DAILE DAVION ADAPTATIVE MORELLON, meric RSUM Dans le contexte actuel, le fait de rduire la consommation de carburant des avions constitue la fois un enjeu cologique, car il irait de pair avec une rduction des gaz effet de serre, maisaussiconomique,lararfactiondesnergiesfossilesnepouvantquentranerune hausseduprixdukrosnelongterme.Cecipeuttreobtenugrceunerductiondela trane des ailes, qui se traduirait par une baisse de lnergie que devront gnrer les moteurs. CestdanscecontextequesinscritleprojetCRIAQ7.1,nommAmliorationde l'coulementlaminairesurunevoilurearolastique,etfinancparleConsortiumde rechercheetdinnovationenarospatialeauQubec(CRIAQ),leConseilderecherchesen sciencesnaturellesetengnieduCanada(CRSNG),BombardierAronautiqueetThales Canada,etestralispardeuxuniversitsqubcoises,lcoledetechnologiesuprieure (TS) et lcole polytechnique de Montral, ainsi que par le laboratoire darodynamique du ConseilNationaldeRechercheduCanada-Institutderechercheenarospatiale(CNRC-IRA). Lobjectif est la ralisation dun systme actif permettant de retarder lapparition de la transition laminaire/turbulent de lcoulement sur laile. Pour cela, un prototype daile adaptative est conu et ralis, et est compos de trois lments principauxhormislastructurerigide :unepeauflexiblesurlaquellesontinstallsdes capteursdepressionpourdtecterlapositiondelatransition,uncontrleuretdes actionneursintelligents.Cesdernierssontcompossdefilsdalliagemmoiredeforme (AMF) jumels un lment de rappel et permettent de modifier la gomtrie de laile selon les conditions de vol. Celles-ci dpendent de la vitesse de lcoulement (le nombre de Mach variant entre 0,2 et 0,35) et de langle dattaque de laile, variant entre -1 et 2. Lquipe de lcolepolytechniqueagnrunesriedeprofilsoptimissadaptschacunedes configurationstudies,etunmodlenumriquedcrivantlecomportementdelapeau flexible a t dvelopp par le Laboratoire sur les alliages mmoire et systmes intelligents (LAMSI)lTS.Lesrsultatsdecestudesmontrentquelesmouvementsdelapeau devront tre obtenus partir de ceux de deux lignes daction. Celles-ci devront tre capables de gnrer des dplacements verticaux de 8 mm par rapport leur position de rfrence dans lebutdobtenirdesprofilslesplusprochespossibledesprofilsoptimiss.Lemodle numriqueaaussipermisdeconnatrelesforcesetdplacementsrequisauxdeuxlignes daction,quidoiventtregnrsparlesactionneursettransmislapeauflexiblepar lintermdiaire dun systme de transmission. Leprsentmmoiredcritleprocddedimensionnementquiamenauchoixdela gomtriedesactionneurs,c'est--diredelalongueuretdelasectionncessairesdes lments actifs permettant dobtenir les forces et dplacements requis. Le premier paramtre fixerestlaforcedellmentderappel,quidoitmaintenirlapeaudanssaposition nominaleenlabsencedactionnementmaisenprsencedesuccionarodynamique.Afin V dobtenir le mouvement de la peau, les actionneurs se retrouvent confronts aux forces cres parllmentderappeletparladformationdelapeau,maissontaidspourcelaparlaforce de succion lie au chargement arodynamique. Le comportement des alliages mmoire de forme tant difficile modliser, la mthode de dimensionnementlapluscourammentutiliseestcellediteparessaiseterreurs.Dansle cadre de cette tude, une caractrisation en laboratoire dchantillons de faibles dimensions a permisdedterminerlenveloppedesforcesetdplacementsqueceux-cipeuventgnrer pourunedformationinitiale,unetempraturedactionnementetunnombredecycles donns. Ensuite, une mthode de design base sur la mise lchelle de ces rsultats est mise en uvre afin de dterminer la gomtrie des actionneurs qui sont installs dans laile. Ilenressortquunegomtrieconstituede6filsdalliagenickel-titaneayantsubiune prparationthermomcaniquepralable(laminagefroidettraitementsthermiques),de longueur1800 mmetdesectionunitaire0,7mm2satisfontauxexigencesdelapplication. Lorsdelinstallationdansleprototype,ilssontdformsfroid,cequileurpermetde gnrerlescoursesetforcesncessairespourdformerlapeauflexiblelorsquilssont chauffs. Leprototypedaileadaptativeatvalidexprimentalementaucoursdetroissries dessais en soufflerie, en octobre 2008, puis en fvrier et mai 2009, au cours desquelles tous les paramtres des actionneurs AMF ont t mesurs (forces, dplacements, etc.) et compars auxvaleursprvueslorsdelaphasededimensionnement.Lesmesuresexprimentalesont valid la dmarche dveloppe dans ce mmoire. Mots-cls :AlliagesmmoiredeformeNi-Ti,actionneurs,aileadaptative,essaisen soufflerie. DESIGN OF SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATORSFOR A MORPHING WING PROTOTYPE MORELLON, meric ABSTRACT Reducingfuelconsumptionof modern aircrafts is at the same time an ecological challenge, becauseitisassociatedwithareductionofgreenhousegasesemissions,andaneconomical challenge,becauseduetofossilenergyrarefaction,increasesinfuelpricesareburning issues. These goals may be achieved by reducing wing drag, and consequently engine power. ThisprojectisfinancedbytheConsortiumforresearchandinnovationinAerospacein Quebec(CRIAQ),theNaturalsciencesandengineeringresearchcouncilofCanada (NSERC),BombardierAerospaceandThalesCanada,andnamed7.1-Laminarflow improvementonanaeroelasticresearchwing.Itisexecutedbytwouniversities,colede technologie suprieure (TS) and cole polytechnique de Montral, and also by the National ResearchCouncilCanada-InstituteforAerospaceResearch(NRC-IRA).Theaimofthis projectistodevelopanactivesysteminordertodelaythelaminar-to-turbulenttransition appearance on the wing. Forthisstudy,amorphingwingprototypeisdesignedandbuilt.Itismadeofthreemain componentsaparttherigidstructure:aflexibleextradosonwhichpressuresensorsare installed to detect the location of the transition, a controller, and smart actuators which move theflexibleextradosthroughatransmissionsystem.Theseactuatorsaremadeofshape memory alloy (SMA) wires placed in parallel of the bias element. They can modify the wing airfoilgeometrydependingoftheflightconditions.Thesedependoftheflowspeed(Mach number varying from 0,2 to 0,35), and the angle of attack, varying from -1 to 2. Optimised airfoils,whichcanadapttoeachstudiedconfiguration,havebeendevelopedbycole polytechnique.Anumericalmodeldescribingtheflexibleextradosbehaviorisbuiltbythe Laboratoire sur les alliages mmoire et les systems intelligents (shape memory alloys and smart systems laboratory), at TS. The results of these studies show that the extrados profile shouldbecontrolledbytwoindividuallycontrolledactuatorsplacedalongthewingchord. Theymustbeabletogenerate8 mmverticaldisplacementfromtheirreferencepositionin ordertoreachtheoptimizedairfoils.Thenumericalmodelgivestheforcesandstrokes required at the two actuation lines, which must be generated by the actuators and transmitted to the flexible extrados through the transmission system. Tomeetthefunctionalrequirementsoftheapplication,thegeometry(lengthandcross-section) 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 withoutactuation.Inordertomovetheskin,theactuatorsmustfighttheforceofthebias elementandthedeformationoftheflexibleextrados,butarehelpedforthatbythesuction force of the aerodyna