+ 2014 Métacomposite pour le SHM, la récupération d’énergie et le contrôle Vibroacoustique

STRUCTRONIC@LYON

Porteur du projet

Manuel COLLET laboratoire LTDS

manuel.collet@nullec-lyon.fr

Laboratoire(s) membre(s)

DOMAINES du projet

Mécanique
Matériaux
Automatique
Electrique
Electronique

PLATEFORMES Ingénierie@Lyon 

Acoustique
Matériaux-Caractérisation
Vibration

SECTEURS INDUSTRIELS

Aéronautique
Automobile
Energie & Environnement
Nucléaire
Ferroviaire

Axe(s) de recherches

interet industriel et societal

Nous assistons aujourd’hui à la naissance d’une rupture technologique majeure notamment dans l’industrie aéronautique par le développement d’avions civils majoritairement composites, extrêmement légers, avec une perspective importante de production induite par le remplacement de 15000 appareils d’ici 2020. Afin d’accroître les fonctionnalités intrinsèques des matériaux composites, de nouvelles technologies aéronautiques ‘vertes’ se sont développées, ces dernières années, pour  améliorer l’efficacité aérodynamique et réduire de 12% la consommation totale d’un avion (FlexSys Inc), réduire les nuisances acoustiques et vibratoires, stabiliser les systèmes ou introduire des éléments de surveillance de l’endommagement et prédire la dégradation des structures.
Les métacomposites et la structronic offrent la possibilité de programmer le comportement vibroacoustique de matériaux et de structures pour leur conférer de nouvelles propriétés de stabilité vibratoire, d’atténuation acoustique ou des fonctions de contrôle santé (Structural Heath Monitoring SHM) et de récupération d’énergie vibratoire.
Le projet S@L vise à fédérer des laboratoires Lyonnais, pionniers de ce nouveau domaine de recherche pluridisciplinaire, pour lever les verrous scientifiques et technologiques limitant le développement industriel de dispositifs distribués structroniques pour :
  • déployer des réseaux structroniques pour le SHM à l’intérieur des matériaux ;
  • le développement de solutions métacomposites originales pour la récupération d’énergie vibratoire ;
  • la réalisation intégrée d’interfaces distribuées pour le contrôle vibroacoustique.
 

Objectifs

La technologie a récemment franchi un seuil déterminant dans le domaine de l'intégration physique des composants électroniques et mécaniques. Cette situation sans précédent permet de reconsidérer en profondeur la conception des systèmes mécaniques du futur. Quelle que soit l'échelle considérée, les orientations actuelles de la recherche visent le développement de nouvelles générations de structures et systèmes adaptatifs intégrés, constituées de composites distribués intégrant matériaux fonctionnels, systèmes de contrôle et de communication (fig.1).
Aujourd’hui, la compréhension de plus en plus fine des lois de la physique nous permet d’envisager d’intervenir au sein même de la matière pour contrôler et optimiser le comportement des futures structures et systèmes que nous élaborerons. Le projet S@L repose sur une synergie de compétences à travers l’institut CARNOT I@L autour des domaines de la mécanique, la dynamique des structures, la vibroacoustique, l’automatique et l’électronique. Il vise alors l’utilisation de cette approche moderne pour le développement d’une nouvelle classe de systèmes intégrés pour programmer le comportement vibroacoustique de matériaux pour :
  • des applications de contrôle santé SHM
  • la récupération d’énergie
  • le contrôle vibroacoustique
S@L développera un ensemble d’outils méthodologiques, numériques et de technologies qui permettront d’envisager l’intégration de Métacomposites Adaptatifs autoalimentés incluant une distribution de matériaux fonctionnels, d’électronique de commande et de communication, des matériaux composites passifs pour réaliser l’ensemble des fonctionnalités recherchées comme représenté sur la figure 1.

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Figure 1 : Poutre de Métacomposite adaptatif – structronic dense

 

Résultats attendus

Le projet S@L agrège les compétences de 3 laboratoires de la région Rhône-Alpes : le LTDS, le LaMCoS et AMPERE. Un des objectifs majeur est alors de fédérer leurs travaux autour de la programmation de la matière et de l’optimisation de systèmes structroniques distribués. L’engagement et l’ouverture des chercheurs qui y participent devrait conduire à de réelles avancées dans la thématique nouvelle adressée.

Réseaux structroniques pour le SHM

L’obtention de systèmes de surveillance autonomes, en continus capables de détecter les singularités de fonctionnement, d’évaluer leur sévérité et de fournir une évaluation fiable de leur évolution est l’objectif in fine de tous les travaux actuellement entrepris dans le domaine du SHM (Structural Health Monitoring).

Le projet vise à réaliser des systèmes intelligents semi-distribués, intégrant des stratégies innovantes de communication capables de mesurer l’influence des physiques locales sur le comportement à plus grande échelle. Le projet fournira les outils pour intégrer cette nouvelle fonction en phase amont de conception et limiter le caractère invasif ou les difficultés d’intégration a posteriori.

Métacomposites pour la récupération d’énergie vibratoire

Le développement de structures intelligentes autonomes apparaît comme un challenge du plus haut intérêt.  Dans le cas des structures travaillant dans un environnement vibratoire sollicitant, il est intéressant de chercher à récupérer une partie de cette énergie mécanique en la convertissant en énergie électrique.

Nous déploierons deux approches originales visant à améliorer les taux de conversion par l’optimisation du couplage effectif électrodynamique. La première solution sera basée sur l’utilisation conjointe d’une métacomposite créant une piège à ondes vibratoire et d’un récupérateur d’énergie localisé au centre de la zone de concentration de l’énergie vibratoire (Figure 2). La seconde concerne l’utilisation de matériaux EAP distribués directement entre les cellules du métacomposite pour une récupération distribuée.

Interfaces distribuées structroniques pour le contrôle vibroacoustique

L’objectif de cette partie du projet est la réalisation de trous noirs ou pièges à ondes (Waves Traps) et de zones d’invisibilité (Cloaking) vibratoire sur des poutres (pièges à ondes) et des plaques pour des propagations multimodales et large bande dans la gamme audible. Le prototype envisagé constituera une brique importante pour le développement de ces nouvelles technologies structroniques adressées par S@L.

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Figure 2 : Réseaux pour l’invisibilité vibratoire, la génération de pièges à ondes et le SHM

 

 

 

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