R?cup?ration d'Energie Vibratoire pour Syst?mes de Contr?le Sant? Int?gr? de Structures A?ronautiques

par Thomas Sainthuile

Thèse de doctorat en Electronique. Micro et nano technologie

Sous la direction de Christophe Delebarre et de Sébastien Grondel.

Soutenue le 12-12-2012

à Valenciennes , dans le cadre de ?cole doctorale Sciences pour l'Ing?nieur (Lille) , en partenariat avec Institut d'?lectronique, de micro?lectronique et de nanotechnologie (laboratoire) , Communaut? d'universit?s et d'?tablissements Lille Nord de France (P?le de recherche et d'enseignement sup?rieur (PRES)) et de Institut d'?lectronique- de micro?lectronique et de nanotechnologie / IEMN (laboratoire) .

Le président du jury était Guy Feuillard.

Le jury était composé de Christophe Delebarre, Sébastien Grondel, Elie Lefeuvre, Daniel Royer, Skandar Basrour, Sylvain Chatillon, Christophe Paget.

Les rapporteurs étaient Elie Lefeuvre, Daniel Royer.


  • Résumé

    L?objectif de cette th?se est de r?aliser un syst?me de Contr?le Sant? Int?gr? des structures a?ronautiques (CSI ou SHM) autonome et ? double-fonctionnalit?. Ce syst?me doit ?tre en mesure d?assurer son autonomie ?nerg?tique tout en r?alisant les t?ches de d?tection et de localisation des endommagements. Latechnique retenue pour alimenter ce syst?me est bas?e sur la r?cup?ration d??nergie vibratoire par transducteurs pi?zo?lectriques SHM coll?s. Durant ces travaux, un mod?le analytique complet de la cha?ne de r?cup?ration d??nergie vibratoire a d?abord ?t? cr??. Ce mod?le, valid? par la M?thode des ?l?mentsFinis (MEF), permet d?am?liorer le rendement du syst?me en d?terminant les dimensions, les locali-sations et le type de mat?riau pi?zo?lectrique id?als des transducteurs. Ce mod?le a ensuite ?t? ?tendu ? une configuration plus repr?sentative des conditions de vibrations d?une structure en vol. Une bonne corr?lation entre les r?sultats provenant du mod?le pr?dictif et les essais sur un banc de mesures a ?t?mise en ?vidence. Une puissance de 1.67mW a ?t? r?cup?r?e et la capacit? large bande des transducteurs a ?t? v?rifi?e. L?application de la r?cup?ration d??nergie au contr?le de structures composites en cours d?assemblage sur les lignes de production a ?galement ?t? ?tudi?e. Dans ce cas, un transducteur strat?giquement localis? et aliment? par une source de tension disponible g?n?re des ondes de Lambdans la structure afin de pallier l?absence de vibrations naturelles. Un r?seau de transducteurs secondaires diss?min?s sur cette structure r?cup?re et convertit cette ?nergie vibratoire en ?nergie ?lectrique. Une puissance de 7.36 mW a ?t? r?colt?e et ce syst?me a ?t? en mesure de d?tecter une chute d?outil sur le composite et d??clairer de fa?on autonome une diode ?lectroluminescente (DEL) simulant ici la consommation de la transmission sans fil de l?information.


  • Résumé

    The aim of this thesis is to develop a self-powered Structural Health Monitoring (SHM) system for aeronautical applications. This system has to be fully autonomous and has to be able to carry out SHM tasks such as damage detection and location. The energetic autonomy of the system is provided by a vibrational energy harvesting technology using bonded SHM piezoelectric transducers. In this document,an analytical model of the energy harvesting process has been proposed. This model, validated by the Finite Element Method (FEM), allows the optimization of the energy harvesting system by determining the ideal type of transducers as well as their optimal dimensions and locations. Then, this model has been applied to a configuration aiming to be more representative of the in-flight vibrations experienced by a structure. Good agreement has been found between the analytical simulation and the experimental measurements. A power of 1.67mW has been harvested and the wideband capability of the transducers has been verified. Afterwards, the possibility of using the vibrational energy harvesting technology to control composite structures on assembly line has been investigated. For this case study, a transducer strategically located nearby an available power supply generates Lamb waves throughout the structure to tackle the absence of natural vibration. The remaining sensors, spread all over the structure, convertthe mechanical vibrations into electrical power. Using this technology, a power of 7.36mW has been harvested. Finally, this SHM system has also been able to detect a tool drop on the composite structure and to light simultaneously and autonomously a light-emitting diode (LED) simulating the consumption required to transmit the information wirelessly.


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