Le travail proposé s’inscrit dans la continuité des études menées par le laboratoire LAPLACE dans le domaine du morphing électroactif soutenues notamment par le RTRA, Réseau Thématique de Recherches Avancées de la fondation STAE, dans le cadre du chantier SMARTWING, puis DYNAMORPH. La thématique de recherche du Morphing Electroactif est un axe multidisciplinaire, associant des compétences qui se situent à la pointe de l’état de l’art dans les domaines de l’aérodynamique, de l’aéroélasticité, des matériaux innovants et de la commande des systèmes embarqués. Le concept du Morphing consiste en l’utilisation d’actuateurs intelligents distribués sous la ‘peau’ de la surface portante d’un aéronef, afin d’optimiser sa forme en vol, en temps réel. Ce concept, apparu récemment en tant que thématique de recherche prioritaire en aérodynamique au sein du 7è Programme Cadre de la Commission Européenne, vise l’amélioration des performances des aéronefs par optimisation de forme en régime dynamique.
Soutenue par Airbus, cette thèse repose sur une première étape consistant en la conception et réalisation d’un démonstrateur petite échelle. Ce démonstrateur est une aile d’avion basée sur un profil d’aile A320, équipé d’actionnements pour le morphisme électroactif hybride. Le principe de l’hybridation des actionnements repose sur de grandes déformations à faibles vitesses de déformation par des Alliages à Mémoire de Forme, ainsi que l’intégration au bord de fuite d’actionneurs piézoélectriques permettant de hautes fréquences d’actionnement à amplitude moindre. En outre, les propriétés de réversibilité de ces matériaux autorisent des fonctionnalités étendues de type capteur-actuateur permettant, la récupération de l’énergie vibratoire environnante pour la restituer à l’actionnement, et assurer ainsi de faibles coûts de morphing. Ce travail nécessite le développement de modèles de conception et une caractérisation électrodynamique in situ en soufflerie est nécessaire pour valider le concept.
L’hybridation des actionnements a pour but l’amélioration des performances aérodynamiques, constituant une seconde étape de la thèse. L’instrumentation de la soufflerie en vue d’expériences est réalisée. Des mesures de portances, de pressions et des visualisations des champs de vitesse par vélocimétrie d’images de particules permettent de comprendre la physique de l’écoulement et de la turbulence. Une attention particulière est portée sur les effets du morphisme par actionnement indépendant des actionneurs ; puis l’étude du couplage non linéaire de l’actionnement hybride est menée. Des analyses statistiques mettent en évidence et quantifient à petite échelle comme à grande échelle les effets de ce couplage fluide-structure-actionneurs.
La troisième étape de la thèse consiste au passage vers une échelle réaliste des actionneurs. L’application cible est un volet « électro-morphé » grâce à des structures actives hybrides permettant de contrôler localement l’écoulement. Cette voilure est intégrée dans une forme d’aile réaliste. Les différentes fonctions et technologies répondants aux spécifications du morphisme sont évaluées. Une approche de dimensionnement par optimisation est proposée. Basé sur des topologies nouvelles d’actionnement, un prototype d’un tel macro-actionneur est alors conçu pour être testé. |
The proposed work is part of the studies carried out by the laboratories LAPLACE and IMFT. The research theme of Electroactive Morphing is a multidisciplinary axis, combined with state-of-the-art skills in the fields of aerodynamics, aeroelasticity, innovative materials and control of embedded systems. The concept of Morphing consists in the use of intelligent actuators distributed under the skin of an aircraft airframe, in order to optimize its shape in flight, in real time. This concept, which has recently emerged as a priority aerodynamic research theme within the 7th Framework Program of the European Commission, aims at improving the performance of aircraft by optimizing shape in dynamic conditions.
Supported by Airbus, this thesis is based on a first step consisting in the design and the realization of a small scale demonstrator. This prototype is a reduced scale aircraft wing based on an A320 wing profile. It features actuators for the hybrid electroactive morphing. The principle of the hybridization of the actuations relies on large deformations at low frequencies by shape memory alloys, as well as piezoelectric actuators enabling high operating frequencies with less amplitude integrated in the trailing edge. In addition, the reversibility properties of these materials allow extensive sensor-actuator functions enabling the recovery of the surrounding vibratory energy to restore it to actuation, thus ensuring low morphing costs. The development of design models and an in situ electrodynamic characterization in the wind tunnel is necessary to validate the concept.
The hybridization of the actuations aims at improving the aerodynamic performances, constituting a second stage of the thesis. The instrumentation of the wind tunnel for experiments is carried out. Measurements of lift, drag, pressures and visualization of the velocity fields by velocimetry of particle images make it possible to understand the physics of flow and turbulence. Particular attention is paid to the effects of morphing due to independent actuation of the actuators; then the effects of the non-linear coupling of the hybrid actuation are carried out. Statistical analyzes highlight and quantify the effects of this fluid-structure-actuator coupling on a small scale as well as on a large scale.
The third stage of the thesis consists in the passage towards a realistic scale of the actuators. The target application is a hybrid "electro-morphing" flap, materialized by active structures allowing local control of the flow. This wing portion is integrated into a realistic wing. The various functions and technologies corresponding to the specifications of morphing are evaluated. A design optimization approach is proposed. Based on new actuating topologies, a prototype of such a macro-actuator is then designed to be tested. |