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1 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 Jean-François ROUCHON a, Dominique HARRIBEY a, Amar Boussaid a, Enrico DERI.

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1 1 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 Jean-François ROUCHON a, Dominique HARRIBEY a, Amar Boussaid a, Enrico DERI b, Marianna BRAZA b a. Laboratoire sur les Plasmas et la conversion dEnergie-LAPLACE-UMR CNR, 2 rue Camichel, TOULOUSE b. Institut de Mécanique des Fluides de TOULOUSE- 1 Allée du Professeur Camille Soula, TOULOUSE ACTIVATION DUNE VOILURE DEFORMABLE PAR DES CABLES DAMF REPARTIS EN SURFACE

2 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 Contexte de létude Étude développée dans le cadre du RTRAinteractions fluides /structures, projet EMMAV. Collaboration entre deux équipes de recherche : – FST2 – IMFT – GREM3 – LAPLACE – UMR 5213 : mécatronique, actionnement à base de matériaux électroactifs. 2

3 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 Objetifs de létude Réaliser un dispositif détude expérimental des interactions fluides /structures Cahier des charges : 1 Force / Contrainte 10 N Flèche > 30 mm Ecoulement (augmenter la dynamique 10s) Longueur 600 mm Largeur 400 mm Partie déformable 300 mm Epaisseur 15 mm

4 20 ème 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 limage. Une simulation sous ANSYS nous a permit de voir comment chaque partie en largeur de la plaque elle est déformée 1

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6 Actionnement de voilures déformables La déformation de la maquette que nous avons à étudier est réalisée à partir dactionneur à mémoire de forme (utilisation dAMF). Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sont des alliages métalliques dont la propriété principale est quils possèdent une mémoire. En effet, alors que dordinaire un alliage va conserver une déformation due à une sollicitation supérieure à sa limite délasticité, lAMF va récupérer sa forme initiale par un simple chauffage. 6

7 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre Leffet mémoire de forme propriété repose sur lexistence dune transformation de phase réversible : Début de la martensitique Austénitique pure Martensitique pure Début de lAusténitique Hystérésis

8 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre Modélisation thermique dun brin élémentaire : Dans un objectif doptimisation de cycles de déformation de la voile, nous avons mis en place un modèle thermique de lAMF dans le but de prévoir le comportement en température de notre AMF. Hypothèses : ( τ elec << τ thermique). ΔT = 0 °c, le phénomène de conduction dans le fil est négligé. T(0) = T air Equations non linéaires P joule = I².(resistivity/S).(1+α.(T-T 0 )) P convection = (T-T air ).(Se/l).λ.Nu/d (E) P joule - P convection = S.ρ.c.(dT/dt) Résolution Numérique

9 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre Profil de résistivité de lAMF en fonction de la température : * Lhypothèse dun comportement linéaire de la résistivité entre As = 40°C et Ms = 50°C suivant léquation : résistivité(T)=résistivité(T 0 ).(1+ α.(T-T 0) ) FIG. 3 - Profil linéaire de la résistivité de lAMF 3-2-Coefficient de Nusselt : * Le coefficient de Nusselt selon la nature de la convection : - Naturelle : Nu = A.H m, H = 3, (T/2+T air_init /2) d 3.(T-T air_init ). - Forcée : Nu = B.Re n, Re= 1, (T/2+T air_init /2) d.v. 9

10 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 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 = 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 lAMF, en montée (sous alimentation) et en phase de refroidissement (I=0 A). - mais on constate que lAMF prend plus du temps à se refroidir qu en montée en température.

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12 Modèle thermique en « Convection Forcée »: Conclusion : - On a pu augmenter la dynamique du cycle, en réduisant le temps du refroidissement de lAMF. - en contre partie notre modèle ne suit plus la température de lAMF 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 = Vent à 10m/s FIG. 7 : Comparaison modèle thermique en convection forcée

13 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 Contrôle de la raideur :. 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 lAMF. Celui permet seulement une modification de la fréquence propre doscillation de lordre de 10% environ. 1 FIG. 8 : Evolution de la raideur de la plaque en fonction du courant FIG. 9 : Evolution de la fréquence du 1 er mode de flexion de la maquette en fonction du courant. Variation de 10% en fréquence [1,2] A

14 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 Amortissement – variable : FIG. 10 : Evolution du facteur damortissement des AMF FIG. 11 : Résultat expérimental, amortissement de la voilure en fonction du courant Conclusion : -On constate que lamortissement dépend de la phase de lAMF. -Ainsi on peut conclure que le facteur amortissement est régit pas lAMF 1

15 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre Conclusions : Cette étude a présenté les premiers résultats concernant la caractérisation dune plaque déformable destinée au contrôle des écoulements. Compte tenu des déplacements et efforts imposés, la technologie intégrant des fils dAlliage à mémoire de forme semble être la plus à même de répondre à court terme. La technologie mise en œuvre, exploitant laction de fil de Nitinol au plus près de la fibre neutre de la plaque ont permis daboutir à une flèche en bout de plaque de 36 mm, ce qui constitue déjà un résultat très intéressant dans le contexte de linteraction fluide/structure où il sagit dobtenir des déformées importantes sans perte de raideur. 1

16 20 ème Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre Conclusions : Aussi, la dynamique dactivation reste problématique dès lors que lon cherche des fréquences de lordre du Hertz ou du dixième de Hertz. Lobjectif est donc ici doptimiser la dynamique. Des essais ont montré quune densité de courant denviron 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 dobtenir un retour en position après déformation de 5 s. 1


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