Thèse soutenue

Modélisation, conception et expérimentations d’un mécanisme multi-antagoniste et hystérétique actionné par des fils en alliage à mémoire de forme
FR  |  
EN
Accès à la thèse
Auteur / Autrice : Rym Boufayed
Direction : Xavier BalandraudFrédéric Chapelle
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie Mécanique
Date : Soutenance le 06/04/2021
Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Blaysat, Karine Lavernhe-Taillard
Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelfattah Mlika, Jérôme Szewczyk

Résumé

FR  |  
EN

Ce manuscrit de thèse décrit la modélisation, conception et expérimentation d’un mécanisme précontraint parallèle plan dont les actionneurs sont des composants en alliage à mémoire de forme (AMF) travaillant de manière antagoniste. L'intégration de ce type de matériaux actifs dans des systèmes robotiques prend de plus en plus d'ampleur du fait de leurs propriétés remarquables pour des métaux : superélasticité, grandes capacités d’amortissement, ainsi que différents effets de mémoire de forme dépendant des conditions thermomécaniques appliquées. L’effet mémoire de forme dit « simple-sens » est particulièrement intéressant d’un point de vue applicatif pour la création d’actionneurs de nouvelle génération. Les actionneurs linéaires et rotatifs à base d’AMF sont largement développés dans la littérature. Plusieurs verrous freinent toutefois le développement de tels systèmes : difficulté à coupler isolation thermique/électrique et fixité mécanique ; complexité à modéliser le comportement du fait d’une réponse non-linéaire et hystérétique ; couplages thermomécaniques forts ; nécessité de forces de rappel pour créer un actionnement à double-sens. Ce dernier point est d’autant plus complexe à gérer en présence de nombreux composants AMF travaillant en parallèle dans un mécanisme : le caractère multi-antagoniste de l’actionnement, couplé à une réponse non-linéaire hystérétique de chaque AMF, est le verrou scientifique sur lequel ce travail de recherche s’est focalisé. En pratique, un modèle par éléments finis a été développé sur un mécanisme précontraint parallèle plan à trois degrés de liberté et piloté par six fils AMF. Ceux-ci sont actionnés indépendamment de manière binaire en première approche, mais interagissent tous ensemble, rendant complexe la prédiction de l’actionnement. Différents cas d’étude ont été traités : espace de travail discret, configurations à éviter, rigidité variable, effet d’attraction et d’hystérésis agissant sur l’espace de travail. Un démonstrateur physique a également été conçu et testé. Un point clé a été la « préparation » thermomécanique des fils AMF avant leur utilisation, ainsi que la mise en place d’une procédure spécifique d’ancrage des fils dans le mécanisme grâce à un choix judicieux des températures de transformation de phase de l’alliage nickel-titane sélectionné. Les résultats expérimentaux ont montré l’efficacité de mise en œuvre du système, et le bon accord qualitatif des mesures par rapport aux simulations rend envisageable une commande du système. L’étude apporte des éléments de compréhension des phénomènes complexes impliqués, ce qui permet d’envisager la conception d’actionneurs innovants avec de nouvelles architectures d’arrangement des composants AMF.