Modélisation de matériaux composites adaptatifs munis d'actionneurs en alliage à mémoire de forme

Résumé

Le développement technologique de structures ayant la capacité de s’adapter à différentes conditions d’utilisation est grandissant dans plusieurs sphères d’activité comme celle de l’aéronautique. En effet, beaucoup de projets sont maintenant orientés vers la conception d’ailes d’avion adaptatives où le but recherché est d’augmenter les propriétés aérodynamiques de ces ailes. Dans cette avenue, les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire présentent les étapes qui ont mené à la réalisation d’un modèle numérique pouvant être utilisé pour prédire le comportement d’un panneau adaptatif, et donc, éventuellement d’une aile d’avion adaptative. Tout d’abord, le panneau adaptatif de ce projet a été conçu à partir d’un composite carboneépoxy, agissant en tant que structure d’accueil, où des fils en alliage à mémoire de forme (AMF), agissant en tant qu’actionneurs, ont été insérés au sein de ce dernier. Les actionneurs en AMF ont, par ailleurs, été positionnés de façon asymétrique, selon la direction de l’épaisseur du panneau, afin qu’un moment de flexion soit généré lorsque ces derniers sont activés. Pour parvenir à modéliser une telle structure, un premier modèle numérique composé uniquement d’éléments finis de type solide a été analytiquement validé. Un second modèle numérique composé d’éléments finis de type coque, poutre et tige a démontré que des résultats identiques à ceux du premier modèle pouvaient être obtenus. Considérant que le premier modèle était composé de plus de 300 000 noeuds comparativement à 1 000 noeuds pour le second, le choix du type d’éléments finis à employer s’est arrêté sur la combinaison coque-poutre-tige. Par la suite, une loi de matériau spéciale a dû être employée afin de pouvoir modéliser le comportement particulier des AMF, soit le modèle micromécanique de Likhachev. Pour ce projet, c’est une version uniaxiale du modèle qui a été utilisée. De plus, à l’aide d’une formulation mathématique assez directe, cette relation constitutive a permis de modéliser pratiquement toutes les propriétés fonctionnelles des AMF dont l’effet mémoire de forme double sens (TWSME) à contrainte nulle obtenu suite à un traitement d’éducation thermomécanique. Pour ce faire, une orientation cristallographique préférentielle a été modélisée au niveau des actionneurs, ceci est d’ailleurs un aspect original de ce projet. La dernière étape a consisté à regrouper les dernières considérations afin de concevoir le modèle numérique expérimentalement validé à l’aide d’un prototype où 19 fils ont été insérés au sein d’un panneau de 425 mm x 425 mm. À cet effet, dans le but de comparer le modèle numérique avec le prototype, divers cas de chargements ont été réalisés. Néanmoins, durant les essais expérimentaux, l’incapacité des thermocouples à mesurer adéquatement la température des actionneurs a provoqué une sous-estimation systématique. Par conséquent, en comparant le rayon de courbure du panneau en fonction de la température des actionneurs, un décalage (en température) entre les courbes obtenues de façon expérimentale et numérique est observable. Mise à part cette difficulté technologique, les résultats expérimentaux et numériques sont très comparables et par conséquent, ce modèle numérique peut être utilisé pour prédire le comportement d’un panneau adaptatif. Par ailleurs, un des principaux avantages de ce modèle numérique réside au niveau de sa versatilité où il a été démontré qu’un « gauchissement » du panneau pouvait être réalisé en contrôlant les actionneurs de manière indépendante. Les travaux futurs devront évidemment se concentrer sur la lecture de la température tout en considérant le raffinement du modèle numérique et la possibilité de modéliser un panneau adaptatif initialement courbé dont la forme pouvait s’apparenter à une aile d’avion.

Date	2 mai 2013
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrick Terriault (Directeur(-trice))