DESIGN OF SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATORS FOR MORPHING LAMINAR WING WITH FLEXIBLE EXTRADOS 

DESIGN OF SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATORS FOR MORPHING LAMINAR WING WITH FLEXIBLE EXTRADOS 

Composition d’un actionneur AMF

Un actionneur AMF se décompose en trois grandes parties distinctes à savoir : 1) un élément actif AMF fournissant le travail mécanique, 2) un élément de rappel permettant de réarmer le système pour le cycle d’actionnement suivant et 3) un système de transmission permettant le transfert du travail mécanique de l’AMF vers l’application.
Les courbes σA(ε) et σM(ε) représentent respectivement le comportement à chaud (austénite) et à froid (martensite) de l’AMF et σR(ε) la caractéristique de l’élément de rappel. Par simple apport d’énergie, l’actionneur va passer de l’état froid à l’état chaud en suivant la ligne σR(ε) considérée linéaire pour simplifier les explications. Deux propriétés importantes peuvent donc être définies à partir de ce diagramme : i) la contrainte générée (Δσ) et ii) la déformation récupérable (Δε). Ces deux termes définissent ce que l’on va appeler les propriétés fonctionnelles de l’AMF et permettront de déterminer le travail mécanique emmagasiné dans l’élément de rappel.

Températures de transformation et influence de la composition chimique de l’alliage

Les alliages à mémoire de forme sont caractérisés par quatre températures :
• MS : température au-dessous de laquelle la martensite apparaît (martensite start).
• MF : température au-dessous de laquelle tout l’échantillon est transformé en martensite (martensite finish).
• AS : température au-dessus de laquelle l’austénite apparaît (austénite start).
• AF : température au-dessus de laquelle tout l’échantillon est transformé en austénite (austénite finish).
En traçant la fraction volumique du matériau transformée en fonction de la température à contrainte nulle, une hystérésis est observable . Celle-ci est due à la présence d’une énergie irréversible, correspondante à une dissipation d’énergie mécanique transformée en chaleur. La variation de la composition chimique va affecter ces températures caractéristiques et donc par ricochet perturber les températures d’activation des AMF . L’alliage Ti-50.26at.%Ni est choisi dans le cadre de ce projet. Pour cette composition, l’effet mémoire de forme débute légèrement au-dessus de la température ambiante . Il faudra donc apporter peu d’énergie pour atteindre les températures d’activation et donc pouvoir générer un travail mécanique.

Influence des traitements thermomécaniques

Actuellement, les traitements thermomécaniques (Thermo mechanical treatments, TMT) conventionnels ont presque atteint leurs limites pour l’amélioration des propriétés fonctionnelles des alliages de mémoire de forme. Par contre, les matériaux nanocristallins qui font l’objet d’une attention croissante ces dernières années offrent une gamme de propriétés mécaniques très prometteuses.
Matériaux nanocristallins:
La plupart des matériaux utilisés technologiquement ont une structure polycristalline. Leurs caractéristiques dépendent à la fois de la structure polycristalline et des propriétés des cristaux qui la constituent. Les propriétés des cristaux sont essentiellement données par le choix des matériaux. La structure et donc son influence sur les propriétés des matériaux obtenus dépendent des traitements de mise en forme appliqués aux matériaux. Les matériaux nanocristallins sont caractérisés par une taille très fine de ses grains (inférieures à 100  nanomètres). L’amélioration des propriétés est intimement liée au raffinement de la taille des grains au sein du matériau. Pour obtenir des AMF nanocristallins, la tendance générale s’oriente vers l’amorphisation par déformation plastique sévère (Severe Plastic Deformation, SPD) c’est-à-dire d’obtenir des matériaux nanocristallins par succession de traitements mécaniques (amorphisation) suivis d’un traitement thermique (nanocristallisation) (Nakayama, 2001).
Matériaux texturés:
La texture d’un matériau correspond à la distribution des orientations cristallographiques d’un échantillon. Un échantillon dans lequel ces orientations sont entièrement aléatoires n’a aucune texture. Si les orientations cristallographiques ne sont pas aléatoires, mais ont une orientation préférentielle, alors l’échantillon possédera une texture qui pourrait être faible, forte, ou modérée. La texture et les grandeurs qui y sont reliées constituent donc d’importants paramètres structuraux à deux points de vue : 1) ils influencent les propriétés du matériau (Park, 1998) et 2) ils évoluent lors des différents traitements subis par le matériau (Druker, 2008). À cause de l’anisotropie des propriétés cristallines, l’orientation du cristal et tous les paramètres de structure qui en découlent, c’est-à-dire la texture et les grandeurs texturales, jouent un rôle prédominant parmi les paramètres du matériau polycristallin .

Influence des cycles thermomécaniques

Lors de leur fonctionnement, les AMF sont soumis à des cycles thermomécaniques (Thermo mechanical cycling, TMC). Par conséquent, la stabilité des AMF vis-à-vis des TMC est un paramètre important. Ces TMC peuvent causer une détérioration des propriétés fonctionnelles. Les raisons de ces changements sont attribuables à l’accumulation de défauts, aux changements structuraux ainsi qu’à la stabilisation de la transformation martensite/austénite dans le matériau. Les changements des propriétés sont très importants lors des premiers cycles, mais tendent à se stabiliser après un certain nombre de cycles. Les travaux de Saikrishna et al. (2006) présentent une méthodologie pour l’obtention d’une réponse stable des actionneurs AMF . Les AMF ont été soumis à deux niveaux de contrainte différente, la deuxième étape impliquant un niveau de contrainte moins élevé que la première. Lors de la première étape (25 premiers cycles), la déformation permanente évolue fortement lors des 10 premiers cycles pour ensuite se stabiliser. Pendant la deuxième étape, les déformations permanentes (RD) et récupérables (RS) sont demeurées stables et surtout la RD n’a pas dépassé une valeur de 0.8%. Cette étude montre aussi que le fait de stabiliser l’AMF à un niveau de contrainte plus élevé que le niveau requis par l’application peut améliorer leur stabilité. Par exemple, en comparant l’échantillon S2 de l’étape 1 à
l’échantillon S1 de l’étape 2, on observe une nette diminution de la déformation permanente (elle passe de 6.4% à 0.8%) tout en ayant une déformation récupérable relativement proche (3.7% contre 3.3%). Il a donc un intérêt d’inclure une étape de stabilisation des propriétés des AMF avant de les utiliser comme matériaux d’actionneur.

Déformation initiale de l’échantillon

Les conditions d’assemblage vont influencer le comportement d’un AMF. En effet, pour être opérationnel, l’élément actif AMF doit être initialement déformé afin de pouvoir, par simple chauffage, générer un travail mécanique. Les travaux de Demers et al. (2009a) prennent en compte ce paramètre . Pour des échantillons de Ti-50.26at%Ni ayant subis des différents traitements thermomécaniques : laminage à froid a) e = 0.25, b) e = 1, c) e = 1.5 et d) e = 2 suivi d’un PDA à 400ºC, les contraintes générées sont dépendantes de la déformation initiale appliquée. Pour un même taux de déformation (exemple e = 1.5), elles varient de 600 MPa pour εi = 3% à 1150 MPa pour εi = 9% en passant par une valeur optimale de 1175 MPa à εi = 8%. Il y a donc une très grande différence qu’il est important de prendre en compte lors de la conception de l’actionneur.

Système de transmission

Tout comme pour une voiture, un système de transmission permet de lier l’actionneur à l’application. Ce système est généralement multiplicatif ou réducteur afin que les propriétés d’actionnement soient ajustées à l’application. Ce système peut être aussi simple qu’un levier (Madden et al., 2004) ou aussi complexe qu’un train d’engrenages. Khidir et al. (2007) présentent un système où la transmission est effectuée via des plaques en flexion .Parfois, les systèmes de transmission spéciaux ne sont pas essentiels pour l’obtention d’une amplification. Cet actionneur AMF-P est constitué de 2 fils en AMF connectés à une structure flexible en 7 points d’attache (vis). L’élément actif est donc divisé en 6 segments ce qui leur a permis de maximiser la déformation de la structure comparativement à 1 segment.
Lors du fonctionnement, l’AMF dans son état chaud vient déformer la structure flexible et engendre un déplacement de la partie centrale. Au refroidissement, la structure vient libérer l’énergie qu’elle a emmagasinée afin de ramener le système dans son état initial.

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRADUCTION GÉNÉRALE 
1.1 Revue de la littérature
1.2 Les actionneurs
1.2.1 Composition d’un actionneur AMF
1.2.2 L’élément actif en alliage à mémoire de forme
1.2.2.1 Températures de transformation et influence de la composition chimique de l’alliage
1.2.2.2 Propriétés fonctionnelles des AMF
1.2.2.3 Choix des matériaux
1.2.2.4 Influence des traitements thermomécaniques
1.2.2.5 Influence des cycles thermomécaniques
1.2.3 L’élément de rappel
1.2.3.1 Rappel passif
1.2.3.2 Rappel actif
1.2.4 Conditions d’assemblage
1.2.4.1 Déformation initiale de l’échantillon
1.2.4.2 Système de transmission
1.2.5 Design des actionneurs AMF
1.3 Objectifs des travaux de recherche
1.4 Méthodologie et organisation de la thèse
CHAPITRE 2 ARTICLE #1 : DESIGN OF SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATORS FOR MORPHING LAMINAR WING WITH FLEXIBLE EXTRADOS 
2.1 Présentation (français)
2.2 Abstract
2.3 Introduction
2.4 The active structure
2.5 Design of actuator group
2.5.1 Functional requirements of the actuator
2.5.2 Conceptual design of the actuator group
2.5.2.1 Nominal extrados position (SMA is“OFF”)
2.5.2.2 Deployed extrados (SMA is “ON”)
2.5.3 SMA active element: material characterization and design diagram
2.5.3.1 Constant-stress mode (a)
2.5.3.2 Fixed-support mode (b)
2.5.3.3 Elastic bias mode (c)
2.5.3.4 Combined constant-stress – fixed support mode (d)
2.5.4 Design procedure
2.6 Experimental validation of the SMA actuator design
2.6.1 Morphing wing prototype
2.6.2 Characterization of the flexible skin and the transmission system (manual mode)
2.6.3 SMA actuators testing
2.7 Conclusion
2.8 Acknowledgments
2.9 References
CHAPITRE 3 INFLUENCE DES TRAITEMENTS THERMOMÉCANIQUES APPLIQUÉS À ALLIAGE Ti-50.26at.%Ni 
3.1 Technologie de fabrication
3.2 Paramètres de mise en forme
3.2.1 Taux de déformation
3.2.2 Température de déformation
3.3 Séquences de laminage
3.4 Essais de génération de contrainte
3.5 Résultats
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 ARTICLE #2 : EXPERIMENTAL BENCH FOR SMA ACTUATORS DESIGN AND TESTING 
4.1 Présentation (français)
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Materials and test bench description
4.4.1 SMA materials
4.4.2 Testing bench mechanism
4.4.3 Data acquisition and control system
4.5 Experimental methodology
4.5.1 Pre-straining
4.5.2 Training
4.5.3 Characterization
4.5.3.1 Passive bias
4.5.3.2 Active bias
4.6 Example: case study
4.6.1 Characterization of an active SMA element
4.6.2 Simulation of an actuator application
4.7 Summary and conclusion
4.8 Acknowledgments
4.9 References
CHAPITRE 5 ARTICLE #3: CHARACTERIZATION AND DESIGN OF ANTAGONISTIC SHAPE MEMORY ALLOYS ACTUATOR 
5.1 Présentation (français)
5.2 Abstract
5.3 Introduction
5.4 Experimental methodology
5.4.1 Mateiral
5.4.2 Experimental set-up
5.4.3 Pre-testing manipulations
5.4.4 Characterization modes
5.4.4.1 Butterfly mode (Figure 5.2 (a))
5.4.4.2 Open-Diamond mode (Figure 5.2 (b))
5.4.4.3 Closed-Diamond mode (Figure 5.2 (c))
5.5 Multi-cycle characterization and working envelope
5.5.1 Butterfly mode (Figure 5.3 (a))
5.5.2 “Open-Diamond” and “Closed-Diamond” modes (Figure 5.3 (b) and (c))
5.6 Example of an antagonistic SMA actuator
5.7 Conclusion
5.8 Acknowledgments
5.9 References
CONCLUSION GÉNÉRALE

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