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20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011. - PowerPoint PPT Presentation
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20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
Jean-François ROUCHONa, Dominique HARRIBEY a, Amar Boussaid a, Enrico DERI b, Marianna BRAZA b
a. Laboratoire sur les Plasmas et la conversion d’Energie-LAPLACE-UMR CNR, 2 rue Camichel, 31071 TOULOUSE
b. Institut de Mécanique des Fluides de TOULOUSE- 1 Allée du Professeur Camille Soula, 31400 TOULOUSE
ACTIVATION D’UNE VOILURE DEFORMABLE PAR DES CABLES D’AMF REPARTIS EN SURFACE
20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
Contexte de l’étude
• Étude développée dans le cadre du RTRA “interactions fluides /structures, projet EMMAV”.
• Collaboration entre deux équipes de recherche : – FST2 – IMFT – GREM3 – LAPLACE – UMR 5213 : mécatronique,
actionnement à base de matériaux électroactifs.
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20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
Objetifs de l’étudeRéaliser un dispositif d’étude expérimental des interactions fluides /structuresCahier des charges :
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Force / Contrainte 10 N
Flèche > 30 mm
Ecoulement (augmenter la dynamique 10s)
Longueur 600 mmLargeur 400 mm
Partie déformable 300 mm
Epaisseur 15 mm
20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
Présentation du dispositif expérimental :
.
FIG. 1 – Maquette de voilure déformable
* Les mesures obtenues pour un courant imposé de 4 A montrent une déflexion de 36
mm en bout de voilure (FIG. 1).
36mm
Conclusion :Les fils du NITINOL sont disposés sur la plaque en largeur, comme le montre l’image.Une simulation sous ANSYS nous a permit de voir comment chaque partie en largeur de la plaque elle est déformée
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20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
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20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
Actionnement de voilures déformables
La déformation de la maquette que nous avons à étudier est réalisée à partir
d’actionneur à mémoire de forme (utilisation d’AMF).
Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sont des alliages métalliques dont la propriété
principale est qu’ils possèdent une mémoire. En effet, alors que d’ordinaire un alliage
va conserver une déformation due à une sollicitation supérieure à sa limite
d’élasticité, l’AMF va récupérer sa forme initiale par un simple chauffage.
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20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
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L’effet mémoire de forme propriété repose sur l’existence d’une
transformation de phase réversible :
Début de la martensitique
Austénitique pure
Martensitique pure
Début de l’Austénitique
Hystérésis
20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
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Modélisation thermique d’un brin élémentaire :
Dans un objectif d’optimisation de cycles de déformation de la voile, nous avons mis en
place un modèle thermique de l’AMF dans le but de prévoir le comportement en température
de notre AMF.
Hypothèses :
• (τelec << τthermique).•ΔT = 0 °c, le phénomène de conduction dans le fil est négligé.•T(0) = Tair
Equations non linéairesPjoule = I².(resistivity/S).(1+α.(T-T0))
Pconvection = (T-Tair).(Se/l).λ.Nu/d
(E) Pjoule - Pconvection = S.ρ.c.(dT/dt)
Résolution Numérique
20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
3 -1-Profil de résistivité de l’AMF en fonction de la
température :* L’hypothèse d’un comportement linéaire de la résistivité entre As = 40°C et Ms = 50°C
suivant l’équation :
résistivité(T)=résistivité(T0).(1+α.(T-T0))
FIG. 3 - Profil linéaire de la résistivité de l’AMF
3-2-Coefficient de Nusselt : * Le coefficient de Nusselt selon la nature de la convection :
- Naturelle : Nu = A.Hm , H = 3,912.1019.(T/2+Tair_init/2)-4.69.d3.(T-Tair_init).
- Forcée : Nu = B.Ren, Re= 1,644.109.(T/2+Tair_init/2)-1.78.d.v.9
20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
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Modèle thermique en « Convection Naturelle » :
Pour un AMF alimenté à 2 A pendant 100 s,
•on a obtenu par estimation : A = 0.39 et m = 0.08.
I = 0 A
Mesures expérimentales
Modèle Thermique
FIG.5-Comparaison modèle thermique en convection naturelle
Conclusion :
- on voit bien que le modèle thermique suit bien les mesures expérimentale de la
température de l’AMF, en montée (sous alimentation) et en phase de
refroidissement (I=0 A).
- mais on constate que l’AMF prend plus du temps à se refroidir qu’ en montée en
température.
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20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
Modèle thermique en « Convection Forcée »:
Conclusion :
- On a pu augmenter la dynamique du cycle, en réduisant le temps du
refroidissement de l’AMF.- en contre partie notre modèle ne suit plus la température de l’AMF en montée, sauf à la phase du refroidissement(I=0A).
1
I = 0 A
4,5 A pendant 35 s on a obtenu par
estimation
B = 0.03 et n = 0.549.
Vent à 10m/s
FIG. 7 : Comparaison modèle thermique en convection forcée
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Contrôle de la raideur :
.
Evolution des fréquences d'oscillations des modes propres de la maquette en fonction de l'intensité
16,6
16,8
17
17,2
17,4
17,6
17,8
18
18,2
18,4
18,6
18,8
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Intensité d'alimentation des AMF (A)
Fré
qu
ence
d'o
scil
lati
on
du
mo
de
pro
pre
(H
z)
Conclusion : - Nous constatons ici une augmentation de la raideur avec le courant. - Par conséquent, nous pouvons déduire que les efforts de contrainte imposés par les AMF sur la plaque augmentent la raideur de celle-ci.- La fréquence de mode propre de notre système « plaque + AMF » est imposer par la plaque et non par l’AMF. Celui permet seulement une modification de la fréquence propre d’oscillation de l’ordre de 10% environ.
1
FIG. 8 : Evolution de la raideur de la plaque en fonction du courant
FIG. 9 : Evolution de la fréquence du 1er mode de flexion de la maquette en fonction du courant.
Variation de 10% en fréquence
[1,2] A
20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
Amortissement – variable :
FIG. 10 : Evolution du facteur d’amortissement des AMF FIG. 11 : Résultat expérimental, amortissement de la voilure en fonction du courant
8,00E-04
8,50E-04
9,00E-04
9,50E-04
1,00E-03
1,05E-03
1,10E-03
1,15E-03
1,20E-03
1,25E-03
1,30E-03
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Intensité d'alimentation des AMF (A)
Fact
eur d
'am
ortis
sem
ent (
ms)
Conclusion : -On constate que l’amortissement dépend de la phase de l’AMF.-Ainsi on peut conclure que le facteur amortissement est régit pas l’AMF
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20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
6 - Conclusions :
Cette étude a présenté les premiers résultats concernant la
caractérisation d’une plaque déformable destinée au contrôle
des écoulements.
Compte tenu des déplacements et efforts imposés, la
technologie intégrant des fils d’Alliage à mémoire de forme
semble être la plus à même de répondre à court terme.
La technologie mise en œuvre, exploitant l’action de fil de
Nitinol au plus près de la fibre neutre de la plaque ont permis
d ’aboutir à une flèche en bout de plaque de 36 mm, ce qui
constitue déjà un résultat très intéressant dans le contexte
de l’interaction fluide/structure où il s’agit d’obtenir des
déformées importantes sans perte de raideur. 1
20ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
6 - Conclusions :
Aussi, la dynamique d’activation reste problématique dès lors que l’on cherche des fréquences de l’ordre du Hertz ou du dixième de Hertz. L’objectif est donc ici d’optimiser la dynamique.
Des essais ont montré qu’une densité de courant d’environ 16 A/mm² est à même de permettre une augmentation significative du temps de monté de la flexion de la plaque (2 s), ce qui constitue déjà, face aux premières expérimentations en soufflerie, une avancée significative.
En revanche, le retour par un refroidissement par convection
naturelle trouve évidemment ses limites sur le plan
dynamique. Des essais, associés à une modélisation du
comportement thermique des AMF en convection forcée ont
permis d’obtenir un retour en position après déformation de 5
s.
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