Les fluides magnéto-rhéologiques : fondamentaux

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Les applications des fluides magnéto-rhéologique

Dans la partie précédente, nous avons introduit le principe de fonctionnement des fluides MR qui sont composés de particules en suspension permettant une modification de sa structure en fonction du champ magnétique. Nous avons décrit que cette modification est contrôlable et résulte en des variations de propriété du fluide. Enfin, nous avons présenté différents types de fluides MR. Dans cette section nous allons présenter comment ces fluides sont utilisés et mis en oeuvre. Dans un premier temps, on verra les modes d’utilisation courant du fluide, puis leurs applications [48].

Les modes de fonctionnement

Une grande majorité des applications liées aux fluides utilisent un des trois modes principaux des fluides MR : valve, cisaillement et compression [49], [50]. Pour décrire ces trois modes, on considère deux pôles magnétiques opposés séparés par du fluide MR.
Le premier mode est le mode valve représenté en Figure 14 (a). Dans ce mode, un écoulement du fluide entre les deux pôles est régulé par le champ magnétique [51]–[54].
Le second mode est le mode cisaillement représenté en Figure 14 (b). Dans ce mode, un des pôles est mobile par rapport au second tout en conservant l’écartement entre les deux pôles magnétiques. Ce mouvement relatif va cisailler le fluide résultant en une force de résistance dépendant du champ magnétique [55]–[58].
Dans le mode compression, on régule l’écartement entre les pôles magnétiques. De cette compression, ou extension, le fluide s’oppose au mouvement avec une force variable grâce au champ magnétique [59]–[63].

Recherches et Applications

Au cours de ces dernières années, différents travaux de recherche ont approfondi les connaissances liées aux fluides. Des modèles microscopiques représentant les efforts intraparticulaires peuvent être comparés dans des conditions bien spécifiques aux modèles macroscopiques [38], [64]–[67]. Cependant, une généralisation et une fusion des deux approches ne sont pas encore possibles [68].
La littérature aborde aussi les désavantages du fluide. La durabilité du fluide est étudiée sous plusieurs aspects, les particules : sédimentation [69], [70], l’état de surface [71], [72], l’impact de l’environnement extérieur : la corrosion des particules [73], [74], la température [75]–[77].
Pour améliorer les performances des fluides MR dans leur cadre d’utilisation, plusieurs stratégies sont adoptées. Il est possible de modifier et d’optimiser les proportions de particules dans le fluide pour obtenir les caractéristiques souhaitées. L’optimisation ne s’arrête pas là, l’ajout de particules de tailles diverses, l’ajout de fibre dans le fluide et entre autres la porosité et les formes des particules sont capables d’influencer la contrainte de cisaillement fournie par le fluide [30], [72], [78]–[83].
L’optimisation du circuit magnétique a aussi un fort impact sur les performances. Il permet de guider le champ magnétique dans le fluide. La Figure 15 représente les configurations les plus communes pour le mode cisaillement [84]. Ces configurations rotatives utilisent des surfaces différentes pour effectuer le cisaillement des fluides. La surface utile de la configuration 1 est perpendiculaire à l’axe de rotation pour utiliser la grande surface et celle des configurations 2 à 4 sont parallèles à l’axe de rotation pour profiter d’un bras de levier important. L’intérêt des configurations mécaniques 1 et 2 est le cisaillement du fluide de chaque côté de l’élément tournant permettant ainsi d’augmenter le couple induit par le champ magnétique. Nous porterons une attention particulière dans le cadre de ces travaux de thèse à la configuration 2 dans laquelle l’axe de rotation de l’élément tournant ne fait pas partie intégrante du circuit magnétique (configurations 3 et 4) ni est encapsulé par celui-ci (configuration 1).
Dans la littérature, quelques travaux dressent l’optimisation de ces configurations en optimisant le champ magnétique (voir Figure 16) [122] –[124], la configuration mécanique [88]–[90] ou le fait d’utiliser plusieurs modes en même temps [91]–[94].
Une autre manière d’effectuer une amélioration est d’optimiser la commande et le contrôle du dispositif MR [95]–[97].
Dans la littérature, un certain nombre de travaux étudie l’atténuation des vibrations sous différentes formes : une amplitude d’excitation [98]–[101] ou en tant qu’atténuation de l’onde acoustique [102]–[104]. Des domaines tels que la tectonique terrestre [105], le stockage d’énergie [106], l’haptique [107], [108] font aussi partie des recherches en cours sur les applications du fluide MR.
Les modes que l’on a présentés dans la partie précédente sont utilisés soit de manière simple soit en combinant plusieurs modes [109] dans de nombreuses applications. On relève ici, certains domaines majeurs d’applications.
Les fluides MR sont utilisés dans les moyens transports. On notera principalement le domaine automobile en tant qu’amortisseur pour le véhicule ou pour le siège du conducteur de poids lourd [22], [110]–[113]. Cependant, des applications existent aussi dans le transport ferroviaire [114] et l’aviation [115]. Ces amortisseurs utilisent dans la plupart des cas le mode valve.
L’utilisation des fluides MR en tant qu’amortisseur ne se limite pas au domaine du transport.
De nombreuses applications utilisent les fluides MR pour atténuer les vibrations, en particulier celles séismiques [95], [98], [116], [117]. Ces amortisseurs fonctionnent généralement en régulant le flux, de manière active par une bobine, du fluide MR entre les deux chambres de l’amortisseur.
Les dispositifs utilisant le mode de cisaillement sont grandement utilisés en haptique, permettant un ressenti tactile de l’utilisateur. Plus particulièrement, l’haptique est utilisé dans le domaine de la réalité virtuelle. Ces dispositifs vont servir d’interface entre l’utilisateur et un monde virtuel. Cette interaction tactile permet un rendu fidèle de l’interaction et permet donc une meilleure immersion dans l’environnement virtuelle ainsi qu’une maîtrise plus fine lors de l’interaction de l’utilisateur dans cet espace.
On remarque deux types d’interfaces haptiques, les interfaces passives et celles actives. Les interfaces passives ont la particularité d’interagir avec l’action que l’utilisateur impose. Elles ont pour principe de dissiper l’énergie d’interaction apportée par l’utilisateur, il est possible de simuler le toucher d’une touche de piano (voir Figure 18). L’interaction avec le fluide s’effectue sous forme d’un élément cisaillant linéaire. Cette interface passive permet aux pianos électriques de se rapprocher, dans le sens du toucher, aux pianos acoustiques traditionnels.
Les interfaces haptiques actives permettent d’apporter de l’énergie dans l’interaction avec l’utilisateur en plus de pouvoir dissiper celle-ci [119]. Le MATISS (voir Figure 19) est une interface homme/machine dont l’interaction est sous une forme d’un bouton rotatif reprogrammable. Il est composé d’un frein MR et d’un moteur électromagnétique Le fluide du frein MR est cisaillé par un élément cylindrique. Le MATISS permet de créer des patterns haptiques actifs et passifs. Ces patterns sont perceptibles et adaptés à l’interaction haptique.
de la Réalité virtuelle. Dans ce cas, les fluides MR intégrés dans un gant (voir Figure 20) permettent de percevoir le contact ou la manipulation, suivant les applications, aussi bien des petites surfaces que des grandes [120]–[124].
Ces interactions avec un utilisateur ont permis de nouvelles applications dans le domaine médical émergent basées sur le principe des fluides MR. Il est possible de créer des prothèses (voir Figure 21) et des moyens de rééducations orthopédiques [125]–[128]. Ces applications vont pouvoir être adaptées à chaque personne grâce à la contrôlabilité du fluide. Et de ce fait, permettre une meilleure prise en charge du patient en mettant en place une courbe de rééducation plus personnalisée ainsi qu’un meilleur suivi de l’évolution de la pathologie [129], [130].
Figure 21 : Prothèse orthopédique pour une cheville [90].
Évaluation de l’effet des vibrations sur le comportement du fluide magnéto-rhéologique
Dans le cas de la chirurgie assistée par robot (voir Figure 22), l’apport que fournit le fluide MR est la liaison entre ce que voit l’opérateur et ce qu’il ressent par l’intermédiaire de l’interface utilisateur [131]–[133].
Figure 22 : Schéma de fonctionnement du RMIS (Robot-Assisted Minimally Invasive Surgery) avec une interface haptique utilisant du fluide MR et du traitement d’image [133].
Dans d’autres domaines industriels très variés, le fluide MR est utilisé pour le polissage et le ponçage de matériaux (voir Figure 23) [134]–[138].
Figure 23 : Ponçage par flux abrasif magnéto-rhéologique. en haut sans champ magnétique, en bas avec champ magnétique adapté de [137].

La rhéologie des fluides

On parle dans les parties précédentes du fluide Magnéto-Rhéologique, on peut toutefois s’attarder sur la décomposition du mot. La première partie fait référence au champ magnétique et du fait que les propriétés du fluide sont dépendantes de celui-ci. La seconde partie est le mot rhéologique que nous présenterons plus en détail dans cette partie.

Définition de la rhéologie

La rhéologie est l’étude de l’écoulement de matière ayant pour condition de ne pas avoir d’élasticité. Ce domaine fait le lien entre l’étude des solides et l’étude des liquides. Le Tableau 3 représente comment se situe la rhéologie dans les sciences. La frontière entre un liquide et un solide est chose complexe à définir. La Société de Rhéologie Internationale a pour sigle un sablier dont le texte en grec signifie « tout s’écoule » ce qui montre cette sinueuse distinction.
Le nombre de Deborah est un nombre adimensionnel caractérisant l’écoulement en fonction du temps d’observation [139], [140].
On parle donc du fluide MR en tant que fluide rhéologique du fait de ses propriétés qui ne sont pas « classiques » dans le sens newtonien du terme. On distingue 2 différences notoires entre le fluide newtonien et le fluide MR : son comportement macro du au champ magnétique, et son comportement microscopique avec la présente d’agglomérats dans le fluide. Les fluides MR présentent un comportement complexe qui dépend à la fois du champ magnétique et de la vitesse de cisaillement.
Évaluation de l’effet des vibrations sur le comportement du fluide magnéto-rhéologique

Les vibrations dans les fluides en suspension

Cas particulier : le béton

D’autres fluides de par leurs compositions peuvent se rapprocher du fluide MR. On nommera le béton, les suspensions de Laponite [142], et les pâtes de ciment [143]. Tous ces fluides sont des liquides rhéologiques ayant des particules en suspension. Leurs comportements peuvent être modélisés par la loi de Bingham représentée en équation (1) [144], [145].
Dans plusieurs études sur le béton (pâte de ciment) [146], [147] il a été observé, à faible cisaillement, une diminution immédiate de la contrainte de cisaillement dans le cas de la présence de vibrations (<100 Hz).
Plus précisément dans le cas d’une vibration localisée [148], [149], le béton n’est plus caractérisable par la loi de Bingham, mais par une loi en puissance comme on peut le remarquer sur la Figure 24. Il est possible de remarquer en plus du changement de comportement une diminution du couple nécessaire au cisaillement soit donc une diminution de la contrainte de cisaillement du fluide. La condition pour avoir ces résultats est une vitesse de cisaillement faible, inférieure à 2 tr/s. De plus dans le cas de très faible vitesse de cisaillement, la pâte de ciment a tendance à se comporter comme un fluide newtonien. Il a été aussi remarqué que l’amplitude de vibrations favorise la diminution de la contrainte de cisaillement. En s’éloignant de la source vibrante, il n’y a pas de discontinuité dans les propriétés du fluide, celui-ci retrouve ses caractéristiques.
D’autre part, il a été observé que les vibrations entraînent la formation d’une gaine autour des particules évitant les agglomérats ainsi que favorisait une sédimentation plus rapide des particules dans le fluide, impact croissant avec la masse de la particule [153].

Table des matières

Introduction
1 Chapitre 1 : Les fluides magnéto-rhéologiques
1.1 Les fluides magnéto-rhéologiques : fondamentaux
1.2 Les applications des fluides magnéto-rhéologique
1.3 La rhéologie des fluides
1.4 Conclusion
2 Chapitre 2 : Banc de test vibratoire : Montage et expérimentations
2.1 Introduction
2.2 Banc de test expérimental et méthodologie
2.3 Mesures des vibrations sur l’élément cisaillant
2.4 Variations de la contrainte de cisaillement du fluide
2.5 Conclusion
3 Chapitre 3 : Effet de la direction des vibrations
3.1 Introduction
3.2 Trois directions de vibrations
3.3 Mesures vibratoires
3.4 Couple des configurations vibratoires
3.5 Conclusion
4 Chapitre 4 : Effets des vibrations sur différents fluides magnéto-rhéologiques
4.1 Introduction
4.2 Les fluides étudiés
4.3 Mesure de la déformation
4.4 Variations du couple
4.5 Conclusion
5 Conclusion

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