26 août 2014
Rolland Delorme, Candidat au M.Sc.A.
Martin Lévesque, Professeur, directeur de recherche
Edu Ruiz, Professeur...
Membrane gonflable dans l’aspirateur d’un barrage
Mise en contexte
4
 Une membrane pour moduler la forme de l’aspirateur
...
Objectifs
5
 Objectif à long terme
 Insérer une membrane gonflable silicone/fibres de verre dans l’aspirateur d’un
barra...
Plan de la présentation
6
I. Réalisation du démonstrateur
II. Essais de gonflement des membranes
III. Essais de traction
I...
7
 Contraintes de budget et de fabrication
Cahier des charges
 Membranes fabriquées par ERFT Composites
8
Montage d’essai conçu
Montage d’essai
9
Architecture des membranes silicone/fibres de verre
 Deux membranes de dimensions 711 x 864 mm (28 x 34’’)
 Empilement...
10
 Membrane d’épaisseur constante
Dimensions de la membrane d’épaisseur constante dans la zone sous pression
Dimensions ...
Plan de la présentation
11
I. Réalisation du démonstrateur
II. Essais de gonflement des membranes
III. Essais de traction
...
12
 Objectifs
 Valider le gonflement à l’eau
 Mesurer la flèche max. en fonction de
la pression appliquée
 Observer le...
13
1. Acquisitions sur les deux membranes
en augmentant la pression
graduellement
2. Analyse des acquisitions au format ST...
14
 Résultats des essais de gonflement
Essais de gonflement des membranes
15
 Étanchéité et gonflement sécuritaire des deux membranes à l’air et l’eau
 Glissement des membranes sous les barres d...
Plan de la présentation
16
I. Réalisation du démonstrateur
II. Essais de gonflement des membranes
III. Essais de traction
...
17
 Objectifs
 Mesurer les propriétés mécaniques dans
le plan de la membrane par Corrélation
d’Images Numériques (CIN)
E...
18
Vidéo d’un essai de traction avec CIN
(vitesse x5) – Déformations longitudinales
Essais de traction par CIN
1. Préparat...
19
 Résultats des échantillons renforcés à 𝟎 𝟗𝟎 ° : module d’élasticité
Essais de traction par CIN
𝑬 𝟏 ~ 𝑬 𝟐 ≈ 𝟒𝟖𝟖𝟎 MPa*
...
20
 Résultats des échantillons renforcés à 𝟎 𝟗𝟎 ° : coefficient de Poisson
Essais de traction par CIN
𝝂 𝟏𝟐 ≈ 𝟎, 𝟖𝟓*
*Norm...
21
 Résultats des échantillons renforcés à ± 𝟒𝟓 ° : module de cisaillement
Essais de traction par CIN
*Norme ASTM D3518
𝑮...
22
 Résultats des échantillons renforcés à 𝟎 𝟗𝟎 °
Essais de relaxation
5 min
↘ 15 %
Plan de la présentation
23
I. Réalisation du démonstrateur
II. Essais de gonflement des membranes
III. Essais de traction
...
24
 Objectif
 Modéliser les essais effectués sur le démonstrateur
• Rappel : glissement des membranes lors des essais de...
25
Propriétés élastiques de la membrane
Propriétés mesurées expérimentalement*
Propriétés choisies arbitrairement car
peu ...
26
Modèle ANSYS : membrane d’épaisseur constante
Démonstrateur assemblé et boulonné
Géométrie modélisée
27
Modèle ANSYS n°1
 Membrane simplement appuyée (fixe sous les barres de fixation)
28
 Membrane retenue par les vis
Modèle ANSYS n°2
29
Modèle ANSYS n°3
 Membrane retenue par les vis et serrée en déformation plane (εz = 0)
30
Comparaison des conditions aux rives simulées
 Résultats des modèles numériques pour la membrane d’épaisseur constante
Plan de la présentation
31
I. Réalisation du démonstrateur
II. Essais de gonflement des membranes
III. Essais de traction
...
32
 Modèle analytique de Vlassak [6] adapté pour membrane quadratique
Objectif et modèle analytique
[6] VLASSAK, 1992
 O...
33
Analyse de l’influence des conditions aux rives
 Résultats des modèles analytiques pour la membrane d’épaisseur consta...
34
Analyse de l’influence des conditions aux rives
 Résultats des modèles analytiques pour la membrane d’épaisseur variab...
35
 Conclusions
 Modèle numérique de référence : membrane simplement appuyée
 Bonnes corrélations entre les modèles num...
Plan de la présentation
36
I. Réalisation du démonstrateur
II. Essais de gonflement des membranes
III. Essais de traction
...
Aspirateur de la centrale Les Cèdres
37
 Contexte
 Calcul préliminaire d’une membrane 3D insérable dans la
centrale Les ...
38
 Éléments SHELL281
 Membrane 3D simplement appuyée
 Membrane 3D soumise à une pression différentielle de 1,5 bar
 G...
39
 Déplacement maximal de 362 mm
 Contrainte maximale de Tresca : 70 MPa < 𝑅 𝑚 = 100 MPa
 Déformation principale maxim...
• Fonctionnel / Étanche / Sécuritaire
• Gonflement d’une membrane à l’eau possible
Réaliser un démonstrateur
• Problème de...
41
 Concevoir un système de fixation mieux adapté aux membranes
 Définir la géométrie initiale de la membrane avant mise...
42
Remerciements
 Membres du jury
 François Trochu
 Aurelian Vadean, président
 Directeurs de recherche
 Martin Léves...
43
Questions
Merci de votre attention !
44
Références
[1] CALOUMENOS A. Membrane gonflable pour aspirateur. Document confidentiel. Alstom, 2010
[2] FAVRE A. Carac...
Prochain SlideShare
Chargement dans…5
×

Soutenance M.Sc.A.

545 vues

Publié le

Defense of my M.Sc.A. in Mechanical Engineering at Polytechnique Montreal

Publié dans : Formation
0 commentaire
0 j’aime
Statistiques
Remarques
  • Soyez le premier à commenter

  • Soyez le premier à aimer ceci

Aucun téléchargement
Vues
Nombre de vues
545
Sur SlideShare
0
Issues des intégrations
0
Intégrations
18
Actions
Partages
0
Téléchargements
9
Commentaires
0
J’aime
0
Intégrations 0
Aucune incorporation

Aucune remarque pour cette diapositive

Soutenance M.Sc.A.

  1. 1. 26 août 2014 Rolland Delorme, Candidat au M.Sc.A. Martin Lévesque, Professeur, directeur de recherche Edu Ruiz, Professeur, codirecteur de recherche rolland.delorme@polymtl.ca
  2. 2. Membrane gonflable dans l’aspirateur d’un barrage Mise en contexte 4  Une membrane pour moduler la forme de l’aspirateur  Objectifs • Moduler la forme de l’aspirateur aux points de fonctionnement choisis pour la turbine  Diminuer les pertes dues à la non uniformité de l’écoulement [1]  Cahier des charges • S’adapter à la structure existante/entretien facile • Être flexible pour la modulation de forme • Supporter des pressions élevées • Utilisation en milieu aqueux [1] CALOUMENOS, 2010 [2] FAVRE, 2013 Membrane gonflable en silicone renforcée de tissus en fibres de verre sélectionnée [2]
  3. 3. Objectifs 5  Objectif à long terme  Insérer une membrane gonflable silicone/fibres de verre dans l’aspirateur d’un barrage pour augmenter la performance de la centrale  Évaluer la faisabilité technique de cette modification  Objectif de la maîtrise Réaliser un démonstrateur pour effectuer des essais de gonflement Caractériser et effectuer des essais de gonflement sur des membranes silicone/fibres de verre Modéliser numériquement et analytiquement les essais de gonflement Simuler une membrane insérable dans un barrage
  4. 4. Plan de la présentation 6 I. Réalisation du démonstrateur II. Essais de gonflement des membranes III. Essais de traction IV. Modélisation numérique des essais de gonflement V. Modélisation analytique des essais de gonflement VI. Modélisation d’une membrane insérable dans un barrage
  5. 5. 7  Contraintes de budget et de fabrication Cahier des charges  Membranes fabriquées par ERFT Composites
  6. 6. 8 Montage d’essai conçu Montage d’essai
  7. 7. 9 Architecture des membranes silicone/fibres de verre  Deux membranes de dimensions 711 x 864 mm (28 x 34’’)  Empilement de couches « matrice/renfort/matrice » d’épaisseur 0,75 mm Zone sous-pression : 356 x 508 mm (14 x 20’’) Épaisseur à définir 711 mm (28’’) 864 mm (34’’) Épaisseur : 3 x 0,75 = 2,25 mm Dimensions des membranes Architecture
  8. 8. 10  Membrane d’épaisseur constante Dimensions de la membrane d’épaisseur constante dans la zone sous pression Dimensions de la membrane d’épaisseur variable dans la zone sous pression Architecture des membranes silicone/fibres de verre  Membrane d’épaisseur variable
  9. 9. Plan de la présentation 11 I. Réalisation du démonstrateur II. Essais de gonflement des membranes III. Essais de traction IV. Modélisation numérique des essais de gonflement V. Modélisation analytique des essais de gonflement VI. Modélisation d’une membrane insérable dans un barrage
  10. 10. 12  Objectifs  Valider le gonflement à l’eau  Mesurer la flèche max. en fonction de la pression appliquée  Observer le comportement de la membrane pour développer un modèle par éléments finis Essais de gonflement des membranes HandyScan 3D – REVScan de Creaform Démonstrateur équipé  Matériels utilisés  Scanneur 3D portable  Démonstrateur et son système de régulation de pression
  11. 11. 13 1. Acquisitions sur les deux membranes en augmentant la pression graduellement 2. Analyse des acquisitions au format STL sur CATIA Numérisation 3D d’une membrane Résultat de la numérisation de la membrane d’épaisseur constante soumise à une pression de 0,26 bar  Procédures expérimentales Essais de gonflement des membranes
  12. 12. 14  Résultats des essais de gonflement Essais de gonflement des membranes
  13. 13. 15  Étanchéité et gonflement sécuritaire des deux membranes à l’air et l’eau  Glissement des membranes sous les barres de fixation Glissement visible à 0,72 bar Apparition d’ondulation après le dégonflement  Observations communes aux deux membranes Essais de gonflement des membranes
  14. 14. Plan de la présentation 16 I. Réalisation du démonstrateur II. Essais de gonflement des membranes III. Essais de traction IV. Modélisation numérique des essais de gonflement V. Modélisation analytique des essais de gonflement VI. Modélisation d’une membrane insérable dans un barrage
  15. 15. 17  Objectifs  Mesurer les propriétés mécaniques dans le plan de la membrane par Corrélation d’Images Numériques (CIN) Essais de traction par CIN Découpe des échantillons Caméra FL2G-50S5M-C de Point Grey  Matériels utilisés  Échantillons découpés dans la membrane d’épaisseur constante  Caméra monochromatique  Machine de traction MTS INSIGHT avec cellule de 5 kN  Essais réalisés à l’université McGill
  16. 16. 18 Vidéo d’un essai de traction avec CIN (vitesse x5) – Déformations longitudinales Essais de traction par CIN 1. Préparation de l’échantillon et du mouchetis (points noir/fond blanc) 2. Alignement du système caméra/échantillon 3. Acquisitions simultanées des enregistrements de la cellule de charge et des prises de photos (5 Hz) 4. Interprétation des résultats avec le logiciel de VIC-2D de Correlated Solutions  Procédures expérimentales
  17. 17. 19  Résultats des échantillons renforcés à 𝟎 𝟗𝟎 ° : module d’élasticité Essais de traction par CIN 𝑬 𝟏 ~ 𝑬 𝟐 ≈ 𝟒𝟖𝟖𝟎 MPa* 𝑹 𝒎 ≈ 𝟏𝟎𝟎 MPa** 𝜺 𝒎 ≈ 𝟑, 𝟓 % *Normes ASTM D412 et D3039 **Rupture dans les mors  valeur conservatrice
  18. 18. 20  Résultats des échantillons renforcés à 𝟎 𝟗𝟎 ° : coefficient de Poisson Essais de traction par CIN 𝝂 𝟏𝟐 ≈ 𝟎, 𝟖𝟓* *Norme ASTM D638
  19. 19. 21  Résultats des échantillons renforcés à ± 𝟒𝟓 ° : module de cisaillement Essais de traction par CIN *Norme ASTM D3518 𝑮 𝟏𝟐 ≈ 𝟗, 𝟎 MPa*
  20. 20. 22  Résultats des échantillons renforcés à 𝟎 𝟗𝟎 ° Essais de relaxation 5 min ↘ 15 %
  21. 21. Plan de la présentation 23 I. Réalisation du démonstrateur II. Essais de gonflement des membranes III. Essais de traction IV. Modélisation numérique des essais de gonflement V. Modélisation analytique des essais de gonflement VI. Modélisation d’une membrane insérable dans un barrage
  22. 22. 24  Objectif  Modéliser les essais effectués sur le démonstrateur • Rappel : glissement des membranes lors des essais de gonflement  ANSYS : approche d’encadrement avec différentes conditions aux rives Modélisation numérique des essais de gonflement [4] VENTSEL et al., 2001 [5] TIMOSHENKO et al., 1951  Comportement mécanique non linéaires des membranes  Théorie des plaques minces  𝒍 𝒉 ≥ 𝟖  Chargement transverse tel que 𝒘 𝒎𝒂𝒙 𝒉 ≥ 𝟎, 𝟓  Non-linéarités géométriques (p. ex. : trampoline)  l’effet membrane prédomine sur la rigidité en flexion négligeable [4-5]  Résolution non linéaire
  23. 23. 25 Propriétés élastiques de la membrane Propriétés mesurées expérimentalement* Propriétés choisies arbitrairement car peu influentes dues à l’effet membrane *phénomène de relaxation pris en compte
  24. 24. 26 Modèle ANSYS : membrane d’épaisseur constante Démonstrateur assemblé et boulonné Géométrie modélisée
  25. 25. 27 Modèle ANSYS n°1  Membrane simplement appuyée (fixe sous les barres de fixation)
  26. 26. 28  Membrane retenue par les vis Modèle ANSYS n°2
  27. 27. 29 Modèle ANSYS n°3  Membrane retenue par les vis et serrée en déformation plane (εz = 0)
  28. 28. 30 Comparaison des conditions aux rives simulées  Résultats des modèles numériques pour la membrane d’épaisseur constante
  29. 29. Plan de la présentation 31 I. Réalisation du démonstrateur II. Essais de gonflement des membranes III. Essais de traction IV. Modélisation numérique des essais de gonflement V. Modélisation analytique des essais de gonflement VI. Modélisation d’une membrane insérable dans un barrage
  30. 30. 32  Modèle analytique de Vlassak [6] adapté pour membrane quadratique Objectif et modèle analytique [6] VLASSAK, 1992  Objectif  Analyser l’influence des conditions aux rives sur la flèche maximale  La flèche maximale est fonction : • de la pression appliquée • des propriétés matériau influentes : • de la géométrie : • des conditions aux rives avec pour une membrane simplement appuyée
  31. 31. 33 Analyse de l’influence des conditions aux rives  Résultats des modèles analytiques pour la membrane d’épaisseur constante
  32. 32. 34 Analyse de l’influence des conditions aux rives  Résultats des modèles analytiques pour la membrane d’épaisseur variable
  33. 33. 35  Conclusions  Modèle numérique de référence : membrane simplement appuyée  Bonnes corrélations entre les modèles numériques et analytiques grâce aux coefficients correctifs des conditions aux rives  Obtention du coefficient correctif du système de fixation du démonstrateur  Importance de connaître les conditions aux rives réelles du système de fixation pour prédire correctement la déformée de la membrane  Travaux futurs : étudier le frottement dans la fixation Analyse de l’influence des conditions aux rives
  34. 34. Plan de la présentation 36 I. Réalisation du démonstrateur II. Essais de gonflement des membranes III. Essais de traction IV. Modélisation numérique des essais de gonflement V. Modélisation analytique des essais de gonflement VI. Modélisation d’une membrane insérable dans un barrage
  35. 35. Aspirateur de la centrale Les Cèdres 37  Contexte  Calcul préliminaire d’une membrane 3D insérable dans la centrale Les Cèdres  Hauteur de chute : 10 m ≡ 1 bar  Surface de la membrane : 85 m² Membrane insérable dans la centrale Les Cèdres  Membrane à séquence d’empilement symétrique et isotrope dans le plan  48 plis bidirectionnels d’épaisseur 0,75 mm  0° 45° 12 𝑆  épaisseur totale de 36 mm  Architecture de la membrane 3D
  36. 36. 38  Éléments SHELL281  Membrane 3D simplement appuyée  Membrane 3D soumise à une pression différentielle de 1,5 bar  Géométrie, maillage, conditions aux rives et chargement Géométrie initiale et maillage de la membrane 3D sous-pression Membrane insérable dans le barrage des Cèdres
  37. 37. 39  Déplacement maximal de 362 mm  Contrainte maximale de Tresca : 70 MPa < 𝑅 𝑚 = 100 MPa  Déformation principale maximale : 1,5 % < 𝜀 𝑚 = 3,5 %  Résultat numérique Champ de déplacement aux nœuds de la membrane 3D sous-pression Résultats prometteurs MAIS • Borne inférieure car conditions aux rives idéales • Géométrie initiale à définir Membrane insérable dans le barrage des Cèdres
  38. 38. • Fonctionnel / Étanche / Sécuritaire • Gonflement d’une membrane à l’eau possible Réaliser un démonstrateur • Problème de glissement dans la fixation du démonstrateur • Propriétés mécaniques dans le plan mesurées (CIN) Tester et caractériser une membrane • Modélisation fidèle aux essais de gonflement • Influence importante de la fixation sur la déformée • Simulation préliminaire pour le barrage des Cèdres Modéliser le comportement d’une membrane 40 Conclusions  Synthèses des travaux
  39. 39. 41  Concevoir un système de fixation mieux adapté aux membranes  Définir la géométrie initiale de la membrane avant mise sous pression  Étudier l’interaction fluide/structure  Faire des essais sur un barrage miniature  Recommandations Conclusions
  40. 40. 42 Remerciements  Membres du jury  François Trochu  Aurelian Vadean, président  Directeurs de recherche  Martin Lévesque  Edu Ruiz  Partenaires du CREFARRE  Alstom Power  Hydro-Québec  Associés et professeurs  Roland Edith Fotsing  Frédérick Gosselin  Étudiants et aux groupes  LM²  CCHP
  41. 41. 43 Questions Merci de votre attention !
  42. 42. 44 Références [1] CALOUMENOS A. Membrane gonflable pour aspirateur. Document confidentiel. Alstom, 2010 [2] FAVRE A. Caractérisation de l’effet du vieillissement en milieu aqueux sur les propriétés mécaniques de composites à matrice élastomère. Mémoire de maîtrise. École Polytechnique de Montréal, 2013 [4] VENTSEL E. et al. Thin Plates and Shells : Theory, Analysis, and Applications. CRC Press Taylor & Francis, 2001 [5] TIMOSHENKO S. et al. Théorie des plaques et des coques. Libr. Polytechnique Ch. Béranger, 1951 [6] VLASSAK J. et al. A new bulge test technique for the determination of Young's modulus and Poisson's ratio of thin films. Journal of Materials Research, vol. 7, no. 12, 3242-3249, 1992.

×