1 Projet pluridisciplinaire 3° année IC Conception dun avion solaire et calcul du longeron BLATTES...
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Projet pluridisciplinaire3° année IC
Conception d’un avion solaire et calcul du longeron
BLATTES Damien
STEINER Valériane
Promo 42
15/06/2007 PPD Avion solaire BLATTES Damien – STEINER Valériane
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Introduction
• Projet du club Modélisme de l’INSA.
– Expérience de 6 années de course solaire lors du Défi Solaire
• Quelques avions solaires existants:
Modèles réduits Drones Pilotés
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Plan
I - Cahier des charges
II - Choix de la géométrie et du profil
III- Simplifications et limites de l’étude
IV- Matériaux
V - Calcul de la structure
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I - Cahier des charges
• Constructible avec les moyens du club modélisme• Dimensionné pour 22 cellules solaires 10x10cm• Puissance nécessaire au vol de l’ordre de 20W
(puissance délivrée par 22 cellules 10x10)• Profil suffisamment épais pour intégrer les cellules dans
l’aile.• Structure (longerons) légère et résistante aux contraintes
du vol.
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II - Choix de la géométrie et du profil
• Puissance nécessaire au vol:
)sin(
1.. f
VgmP
P = puissance (W)m = masse de l’avion (kg)g = constante de gravité (9,81m.s-2)V = vitesse de vol (m.s-1)f = finesse (sans unité) = angle de montée = rendement du groupe motopropulseur (moteur et hélice)
Pour minimiser la puissance, il faut donc minimiser le quotient : f
Vm.
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II - Choix de la géométrie et du profil
Avion classique? Aile volante?
Rendement aérodynamique (finesse) optimal
Poids élevé (fuselage, empennage)
Difficulté de construction (fuselage composite)
Rendement aérodynamique moindre dû au profil autostable
Poids très faible
Facilité de construction
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II - Choix de la géométrie et du profil
• Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5
Soufflerie numérique qui analyse les profils et les ailes.
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II - Choix de la géométrie et du profil
• Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5
Choix final d’une géométrie hybride
Zone centrale : profil autostable
Extrémités : profil classique
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II - Choix de la géométrie et du profil
•Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5•Comparaison avec un planeur classique
Puissance équivalente malgré une finesse moindre, grâce au faible poids.
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II - Choix de la géométrie et du profil
• Conception aérodynamique grâce au logiciel XFLR-5Choix des profils aérodynamique
Profil autostable(Zone centrale)
Profil classique(extrémités)
Nombre de Reynolds : 250 000
Inspiré d’un profil autostable reconnu : l’eppler 186, profil adapté aux plus grands nombre de Reynolds.
Il a donc été aminci et le bord d’attaque épaissi.
Nombre de Reynolds : 100 000
Profil adapté aux très faibles nombre de Reynolds (NG03)
Épaissi pour pouvoir installer les cellules solaires
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II - Choix de la géométrie et du profil
Répartition des cellules sur l’avion :
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III - Simplifications et limites de l’étude
• Les seuls éléments structuraux pris en compte sont :
Le bord d’attaque
Le longeron secondaire
Le longeron principal
Les nervures ne servant pas à supporter les efforts de flexion, elles ne seront pas modélisées.
Idem pour le revêtement (entoilage) en plastique thermo rétractable.
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III - Simplifications et limites de l’étude
• Simplification du chargement
Répartition réelle de la portance
Répartition simplifiée de la portance et du poids.
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III - Simplifications et limites de l’étude
•Simplification du chargement
Répartition réelle de la trainée Répartition simplifiée de la trainée
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III - Simplifications et limites de l’étude
• Symétrie.– Le problème est symétrique (géométrie et chargement)– On ne calcule donc que la moitié de l’aile.
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IV – Matériaux utilisés
– Longerons de fixation des ailerons
Balsa (construction plus aisée)
Caractéristiques connues
– Longeron central et bord d’attaque
Matériau composite
Fibres de carbone
Caractéristiques inconnues
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IV – Matériaux utilisés• Essai de flexion (détermination du module d’Young d’un
tube en fibre de carbone)
Encastrement Masse
Mesure du déplacementBanc de mesure
Module d’Young mesuré : 75000MPa comparaison avec des tables
autres caractéristiques connues
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V - Calcul de la structure
• Modélisation sous IDEAS– Longerons éléments poutres– Nervures éléments rigides
Poutres
Eléments rigides
Nœuds
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V - Calcul de la structure
Modélisation sous IDEAS - Conditions aux limites
Blocages
Portance et trainée
poids
Portance =Portance totale
Nombre de Nœuds
Traînée =Traînée totale
Nombre de Nœuds Poids = 20 grammes / cellule
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V - Calcul de la structureModélisation sous IDEAS – Cas d’études - Géométries• Longeron de fixation des ailerons :
– Balsa de section carrée 6mm
• Bord d’attaque– Jonc de carbone de diamètre 3mm
• Longeron central– Plusieurs géométries étudiées
Section (en mm) 4,9 x 3,5 6,0 x 4,2 7,9 x 6,07,9
(section pleine)
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V - Calcul de la structure
Modélisation sous IDEAS – Cas d’études – Chargement• Vol en palier : équilibre poids / portance
• Vol en ressource : structure soumise à 4g, cas le plus critique.
Poids x4
Portance x4
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V - Calcul de la structure
• Modélisation sous IDEASAvec accélération de 4g
Longeron 7,9x6
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V - Calcul de la structure
• Modélisation sous IDEAS - Résultats
Déplacement en bout d'aile
Contrainte maximale au centre de l'aile
Coefficient de sécurité k
Poids du longeron
Unités mm MPa grammes
Tube 4,9x3,5 163 252 1,78 23,5
Tube 6,0x4,2 101 169 2,65 37,8
Tube 7,9x6,0 38,1 75,5 5,93 53,1
Jonc 7,9 37,3 69,5 6,45 123
longeron
tractionadmissiblekmax
_max
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Conclusion
• Géométrie originale, prototype en cours de fabrication
• Modélisation améliorable (nervures, revêtement, efforts, matériaux)
• Notions développées de RDM, Eléments finis, mécanique des fluides...
Nouvelles notions abordées en conception aérodynamique et matériaux composites
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Merci de votre attention
Cahier des charges
Choix de la géométrie
Simplifications et limites de l’étude
Matériaux utilisés
Calcul de la structure