Contribution de la thèse

Les efforts de formalisation doivent se poursuivre jusqu’à maturité du domaine. Toutefois le besoin de modèles simples d’utilisation ne devrait pas omettre la nécessité d’efficacité et de rigueur scientifique.

Cette thèse s’inscrit dans cette optique. Nous visons à alimenter ces bibliothèques de modèles de composants électro-actifs. Ces modèles doivent inclure le plus possible les non- linéarités de ces matériaux mais aussi ils doivent être faciles de compréhension par l’ingénieur. Pour atteindre ces objectifs nous proposons de faire un pont entre le domaine des experts des matériaux et celui de l’ingénieur [44] en suivant une méthodologie classique mais claire (Figure 1.9).

Toutefois la tâche de formalisation ne représente qu’une partie du travail réalisé dans cette thèse. Comme le montre le contenu de ce rapport, la majeure partie porte sur la modélisation. Car, si les phénomènes complexes sont maîtrisés par les experts en matériaux, leur modélisation reste d’actualité. Il n’existe pas aujourd’hui pour ces actionneurs, un modèle complet faisant l’unanimité des communautés scientifiques. Nous apportons des améliorations, surtout en ce qui concerne la modélisation de l’hystérésis.

Dans le chapitre 2 nous proposons un aperçu du monde des matériaux et composants intelligents. Tout d’abord, cela permettra aux non-spécialistes de se familiariser au vocabu- laire du domaine. Plusieurs exemples d’applications sont aussi présentés. Ensuite ce chapitre permet de montrer les challenges relatifs à l’utilisation des actionneurs intelligents.

Dans le chapitre 3 nous rappelons les équations basiques de la piézoélectricité ainsi que les techniques usuelles pour la caractérisation de ces matériaux.

Dans le chapitre 4 nous traitons essentiellement des aspects dynamiques. Nous adoptons les méthodes de masse concentrée et de distribution des paramètres. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures expérimentales ainsi qu’aux travaux existants.

En continuité, dans le chapitre 5, nous proposons des modèles prenant en compte les non- linéarités. L’approche de Preisach pour la modélisation de l’hystérésis statique et l’approche de Voigt dans le cas dynamique. Ces deux approches sont ensuite fusionnées dans le but d’avoir un modèle plus complet.

Dans le chapitre 6 nous montrons la valeur ajoutée de notre travail. Des cas d’applications sont ainsi présentés. Mieux, à travers ce chapitre nous visons à montrer comment les modèles proposés s’articulent avec les autres éléments d’un système global. Ensuite une adaptation au cas des actionneurs magnetostrictifs est proposée.

Enfin nous concluons et proposons des perspectives.

Ce rapport est écrit en anglais. Mais chaque chapitre est résumé en français dans une proportion d’environ 25% du texte. Les figures et certaines équations ne sont pas répétées.

Chapter 2

Generalities on smart materials/devices

and applications

2.1

Résumé du chapitre en Francais

Le qualificatif intelligent est couramment associé à tous matériaux ayant une capacité non- négligeable à convertir de l’énergie d’une forme à une autre, sans pour autant se distinguer des matériaux traditionnels. Cependant les scientifiques s’accordent sur le fait qu’il n’existe pas de définition claire [45, 46]. Nous donnons dans cette section un aperçu d’une terminologie assez large.

Pour Z.L. Wang and al [47], les matériaux qui physiquement ou chimiquement sont sensi- bles à la température, la pression, le champ électromagnétique, les ondes optiques, la valeur du pH de leur environnement, sont qualifiés de matériaux fonctionnels puis qu’ils peuvent être utilisés pour assurer des fonctions biologiques, chimiques ou mécaniques. Ils sont plus intéressants s’ils sont maîtrisables. Ailleurs, ces mêmes matériaux sont appelés matériaux

actifs en raison de leur capacité à récupérer des informations de leur environnement et à y

apporter des changements. Par antagonisme aux passifs, les matériaux actifs stockent, con- vertissent ou manipulent de l’énergie comme par exemple les matériaux piézoélectriques. On les qualifie d’adaptatifs du fait qu’ils activent leurs fonctions selon l’état de l’environnement. Lorsqu’ils peuvent être associés à la construction d’une structure on parle de matériaux struc-

turels. La consolidation de ces capacités dans un même matériau fait de lui un matériau intelligent, parce que l’on y retrouve certaines caractéristiques de l’intelligence des systèmes

naturels. Selon George Akhras [8] les matériaux intelligents ont des capacités intrinsèques et extrinsèques, à d’une part répondre aux stimuli et modifications de l’environnement et, d’autre part, à activer leurs fonctions conformément à ces changements.

Dans Smart Materials Bulletin of September 2002 on rapporte que l’on peut subdiviser les matériaux intelligents en deux catégories. Le premier groupe concerne les matériaux qui, en réponse aux stimuli, changent de forme à une entrée, correspond une déformation. Ils sont utilisés dans la conception des structures complexes. La deuxième catégorie concerne les matériaux qui répondent en modifiant leurs propriétés telles que la conductivité, la viscosité etc.

Parmi les matériaux intelligents, nous pouvons citer les matériaux piézoélectriques, les matériaux magnétostrictifs, les alliages à mémoire de forme, les fluides rhéologiques, les matériaux chromogéniques, les matériaux halo-chromiques, les polymères sensibles au pH

etc.

Les matériaux intelligents sont pour la plupart polyvalents. L’intégration de ces disposi- tifs dans les aéronefs permettrait l’autocontrôle de leurs performances et la réduction des maintenances préventives. Ce qui diminuerait alors le temps d’indisponibilité des appareils. Les matériaux intelligents sont aussi utilisés dans le suivi des infrastructures. Ils permet- tent d’augmenter la sécurité pendant leur durée de vie en fournissant des alertes concernant d’éventuels problèmes structurels. En outre, ils permettent de réduire les coefficients de sécurité généralement utilisés en conception, ce qui réduit le coût de vie de ces structures.

Par ailleurs il existe d’autres matériaux utilisés dans l’industrie textile. Alors que les fonctions d’isolation thermique des vêtements peuvent être traditionnellement assurées par du textile épais à faible densité, ils affectent la liberté de mouvement et génèrent un inconfort physiologique. L’avènement des textiles capables de gérer intelligemment l’énergie thermique offre alors de nouvelles perspectives. Ils s’utilisent dans la fabrication des combinaisons spatiales, des gants, des gants de planche à neige, des sous-vêtements, pour divers sports améliorant ainsi le confort [9].

En qui concerne le processus d’usinage qui nous intéresse le plus, il est généralement l’objet de vibrations pouvant affecter la qualité requise du produit final. On peut alors utiliser des matériaux actifs pour amortir ces vibrations. Toutefois, plutôt que de chercher à amortir ces vibrations, on peut les mettre à profit si elles sont contrôlées. Elles peuvent intervenir positivement dans la formation et l’évacuation des copeaux [3]. L’utilisation des actionneurs intelligents offre alors des moyens flexibles de génération de vibrations, contrairement au système auto-entretenu en Figure 1.3.

L’avènement des matériaux intelligents suscite donc un certain engouement dans les com- munautés scientifiques, industrielles et universitaires dont l’équipe INSM dans laquelle s’est déroulée la présente thèse.