Étude d’un drone longue endurance

Depuis le début de la semaine les étudiants de 5^e année en génie mécanique soutiennent devant un jury leur travail en projet de recherche technologique (PRT). Deux d’entre eux illustrent leur travail portant sur l’étude d’un drone de longue endurance.

Durant la cinquième année, tous les élèves ingénieur du département mécanique de l’INSA Strasbourg doivent réaliser un projet de recherche technologique (PRT). Le but est de résoudre une problématique industrielle ou universitaire afin de proposer des solutions technologiques adaptées.

Notre PRT porte sur la conception et la fabrication d’un drone longue endurance (projet ELCOD, projet offensive sciences labélisé [1] par le pilier science de la région métropolitaine trinationale du Rhin supérieur). Dans le cadre de notre projet, nous avons été amenés à fabriquer des pièces en fibre de carbone par moulage au contact pour designer le drone.

Nous nous sommes intéressés à la clé d’aile équipant le drone (Fig. 1). Cette pièce est la partie stratégique car elle assure la liaison entre les ailes et le fuselage. Ainsi, elle doit résister à des efforts importants en cas d’augmentation du facteur de charge.

Figure 1 : Clé d’aile du drone

Avant de réaliser des prototypes, nous avons optimisé la conception de ce composant à l’aide de simulations numériques (méthodes éléments finis en utilisant la suite logiciel MSC ®, disponible à la plateforme mécanique de l’INSA Strasbourg) pour tester la viabilité de notre clé d’aile sous diverses sollicitations mécaniques, comme sur la figure 2 en flexion 4 points. Une des difficultés de telles simulations, destinées à reproduire le comportement mécanique d’une structure, réside dans la détermination des propriétés mécaniques d’un matériau qui se présente sur la forme d’un système multicouche, générant une certaine anisotropie.

Figure 2 : Simulation numérique flexion quatre points

La figure 2 montre le résultat obtenu en flexion 4 points sous un chargement de 1300 N en terme de résistance mécanique (état de contrainte maximale). Cet essai, classiquement utilisé pour caractériser le comportement d’un « matériau », possède l’avantage d’être assez proche des conditions réelles d’utilisation d’une clé d’aile.

Ainsi, nous avons réalisé un essai de flexion quatre points avec les équipements disponibles la plateforme SMIS de l’INSA Strasbourg pour caractériser notre matériau et obtenir ses propriétés mécaniques intrinsèques. Contrairement à l’essai de flexion de 3 points, l’essai de flexion 4 points permet de répartir le champ de contrainte maximale le long de la poutre car le moment de flexion est constant entre les deux points d’application de la force (flexion pure), limitant les effets de la contrainte de cisaillement (effort tranchant nul). Ainsi l’équation de la déformée est celle d’un arc de cercle, dont le rayon est directement proportionnel au module élastique du matériau.

Figure 3 : Mesure de la flèche et mesure de la déformation à l’aide de jauges

Pour mesurer le déplacement et pour remonter aux contraintes de compression et traction, nous avons préalablement collé des jauges extensométriques de part et d’autre de notre pièce (Fig. 3). Par ailleurs, la flèche maximale au centre est mesurée via un comparateur. Un vérin permet d’appliquer l’effort sur notre clé d’aile, qui est mesuré grâce à un capteur d’effort haute précision.

Figure 4 : Banc d’essais de flexion 4 points développé pour tester le design d’une clé d’aile.

Maintenant, nous avons nos propres données matériaux pour affiner nos simulations et continuer le dimensionnement de notre prototype.

Jean Henry – étudiant en 5e année de la spécialité plasturgie

Martin Lefebvre – étudiant en 5e année de la spécialité génie mécanique

Nous remercions tout particulièrement Vincent Vottero, technicien à la plateforme SMIS pour son aide dans la réalisation du banc d’essais (instrumentation, structure)

[1] https://recherche.insa-strasbourg.fr/linsa-strasbourg-laureat-de-trois-projets-offensive-sciences-2017/