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mémoire de forme
Adoum Waibaye
To cite this version:
Adoum Waibaye. Création de structures actives à l’aide d’alliages à mémoire de forme. Autre. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2016. Français. �NNT : 2016CLF22724�. �tel-01420125�
E D S P I C : 769
UNIVERSITE BLAISE PASCAL - CLERMONT II
ÉCOLE
DOCTORALE
SCIENCES
POUR
L'INGENIEUR
DE
CLERMONT-FERRAND
THESE DE DOCTORAT
Présentée par
WAIBAYE Adoum
pour obtenir le grade de
DOCTEUR D’UNIVERSITE
SPECIALITE : Génie Civil
Création de structures actives à l’aide d’alliages à
mémoire de forme
Soutenue publiquement le 12/09/2016 devant le jury :
Mme Shabnam ARBAB CHIRANI Prof., ENIB Présidente
M. Hervé LOUCHE Prof., Univ. de Montpellier Rapporteur
M. Robert PEYROUX C.R. CNRS, Univ. Grenoble Alpes Rapporteur
M. Koina RODOUMTA Prof., ENSTP, N’Djamena (Tchad) Examinateur
M. Xavier BALANDRAUD Prof., Sigma Clermont-Ferrand Co-directeur de thèse M. Jean-François DESTREBECQ Prof., Univ. Blaise Pascal Co-directeur de thèse
Résumé de la thèse
Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont des matériaux métalliques qui présentent des propriétés thermomécaniques particulières, et notamment l’effet mémoire de forme. L’étude réalisée durant la thèse concerne la création de systèmes actifs double-sens à l'aide de fils AMF à effet mémoire simple-sens. Trois modèles analogiques simples, représentant trois catégories de solutions constructives, ont été développés. Ces modèles correspondent à des types de couplages mécaniques différents entre un (ou des) fil(s) AMF et une structure mécanique. Par exemple, le modèle le plus simple consiste à utiliser un unique fil AMF couplé à un système mécanique constitué d’une structure monolithique déformable. Lorsque l’on chauffe l’AMF, on active l’effet mémoire de forme, ce qui entraîne une déformation de la structure. Lorsque l’on refroidit l’AMF, la rigidité propre de la structure entraîne une déformation dans le sens inverse à celui de la phase de chauffage. Plusieurs démonstrateurs ont été également construits et analysés durant la thèse. Cette étude montre la possibilité de concevoir des structures actives pilotées par des AMF, ce qui ouvre des perspectives pour le contrôle des déformations ou des contraintes dans des structures.
Mots clés : système actif doubles-sens, alliage à mémoire de forme, structure adaptative.
“Creation of active structures using shape memory alloys”
Thesis summary
Shape memory alloys (SMA) are metallic materials that have particular thermomechanical properties, including the shape memory effect. The study carried out during the thesis concerns the creation of two-way active systems using SMA wires exhibiting one-way memory effect. Three simple analog models, representing three classes of constructive solutions, have been developed. These models correspond to different types of mechanical coupling between one (or more) SMA wire(s) and a mechanical structure. For example, the simplest configuration is a single SMA wire coupled to a mechanical system consisting of a deformable monolithic structure. When the SMA is heated, the shape memory effect is activated, which causes the deformation of the structure. When cooling the SMA, the inherent rigidity of the structure causes a deformation in the opposite direction to that of the heating phase. Several demonstrators were also constructed and analyzed during the thesis. This study demonstrates the possibility of designing active structures driven by SMAs, which opens prospects for the control of deformations or stresses in structures.
Remerciements
Ce rapport de thèse est le résultat des efforts conjugués pour l’aboutissement de mes travaux de recherche. Sa réalisation s’est faite au sein du Laboratoire Institut Pascal de Clermont-Ferrand.
Je tiens à remercier de manière soutenue, Messieurs Jean-François DESTREBECQ et Xavier BALANDRAUD qui m’ont accepté pour faire mes pas dans la recherche. Je voudrais leur faire savoir combien leur encadrement m’a été pédagogique. Je veux souligner que leurs conseils m’ont été d’une grande utilité et je me sens comblé. Une fois encore je les remercie vivement pour la confiance qu’ils ont placée en moi et pour le soutien accordé durant cette période de ma thèse.
Je remercie également les responsables de l’Institut Pascal pour avoir réuni les conditions de mes recherches et l’Etat Tchadien pour avoir mis en place un budget dans le cadre de la formation de formateurs. J’exprime ma profonde gratitude au Pr. Koina Rodoumta, Directeur Général de l’Ecole Nationale Supérieure des Travaux Publics à N’Djamena, Nadjitonon Ngarmayan, Atteib Ibrahim Doutoum, Christophe VALLAT, Arthur MOTA, bref tous ceux qui m’ont apporté leur soutien.
Mes remerciements vont également à mes parents Adoum Tchatoroum et Madam Bari bien qu’ils ne soient plus de ce monde. A ma femme Lamana, mes enfants Yasmine, Maïmouna et Oumar pour avoir supporté mes longues périodes d’absence loin d’eux, sans oublier mes grand-frères Oumar Ouagaye et Nargaye Omi Kinder.
Je veux remercier Madame Shabnam ARBAB CHIRANI, qui a accepté de présider ma soutenance, ainsi que mes rapporteurs, Messieurs Hervé LOUCHE et Robert PEYROUX, qui se sont intéressés à mon travail en m’apportant leurs remarques constructives.
Je remercie également tous ceux que j’ai eu à côtoyer à l’Institut Pascal dans le cadre de mes travaux. Je ne peux tous les citer et qu’ils reçoivent ici mes remerciements les plus chaleureux.
Introduction générale... 1
CHAPITRE 1. ETAT DE L’ART 5
1.1 Introduction ... 5
1.2 Transformation martensitiques et propriétés thermomécaniques des AMF... 5
1.2.1 Historique ... 6
1.2.2 Bases sur les transformations martensitiques dans les AMF ... 6
1.2.2.1 Définitions ... 6
1.2.2.2 Martensite auto-accommodante ... 8
1.2.2.3 Martensite orientée (par l'application d’une contrainte) ... 8
1.2.3 Propriétés thermomécaniques des AMF ... 9
1.2.3.1 Effet mémoire simple-sens ... 9
1.2.3.2 Effet mémoire double-sens (non-assisté par la contrainte) ... 11
1.2.3.3 Effet mémoire double-sens assisté par la contrainte ... 11
1.2.3.4 Super-élasticité ... 12
1.2.3.5 Effet d’amortissement ... 12
1.2.4 Génération de contrainte par activation thermique de l’effet mémoire ... 13
1.3 Exemples simples de création de mouvement par des AMF ... 14
1.4 Applications des AMF sans contrôle actif ... 17
1.4.1 Applications en aéronautique ... 17
1.4.2 Applications dans le domaine biomédical ... 21
1.4.3 Applications en robotique ... 23
1.4.4 Applications en génie civil ... 23
1.4.4.1 Applications pour la réparation des structures en béton ... 24
1.4.4.2 Applications pour la fermeture de fissures dans le béton ... 24
1.4.4.4 Applications pour le contrôle sismique (passif) des structures ... 33
1.5 Applications des AMF avec contrôle actif ... 33
1.5.1 Application en génie civil ... 34
1.5.1.1 Contrôle de la déformation d’une poutre ... 34
1.5.1.2 Contrôle actif des vibrations dans les structures ... 35
1.5.2 Applications en robotique ... 35
1.5.2.1 Contrôle de la rigidité des robots ... 35
1.5.2.2 Contrôle de mouvement en robotique ... 36
1.6 Conclusion ... 38
CHAPITRE 2. PRINCIPES GÉNÉRAUX UTILISÉS POUR LA CRÉATION DE SYSTÈMES ACTIFS 40
2.1 Introduction ... 40
2.2 Problématique générale ... 40
2.3 Spécificités de l’AMF considéré dans notre étude ... 42
2.4 Principes utilisés pour la création de systèmes actifs... 45
2.5 Activation thermique par effet Joule ... 51
2.6 Pilotage ... 52
2.7 Expressions des rigidités et des trois types de systèmes actifs considérés ... 54
2.7.1 Objectif et démarche ... 54
2.7.2 Cas (1) : modèle constitué d’un fil AMF en série avec un ressort ... 54
2.7.2.1 Relations cinématiques ... 55
2.7.2.2 Relations statiques ... 56
2.7.2.3 Relations de comportement du fil AMF ... 56
2.7.2.4 Relations de comportement ... 56
2.7.3.1 Relations cinématiques ... 59
2.7.3.2 Relations statiques ... 60
2.7.3.3 Relations de comportement ... 60
2.7.4 Cas (3) : modèle constitué d’un fil AMF en opposition avec un fil AMF et un ressort en parallèle .. 63
2.7.4.1 Relations cinématiques ... 63
2.7.4.2 Relations statiques ... 63
2.7.4.3 Relations de comportement ... 64
2.8 Conclusion ... 66
CHAPITRE 3. PREMIER DEMONSTRATEUR UTILISANT DEUX FILS AMF EN SERIE 69 3.1 Introduction ... 69 3.2 Principe du démonstrateur ... 69 3.3 Dispositif expérimental ... 70 3.3.1 Présentation du démonstrateur ... 70 3.3.2 Paramètres mesurés ... 72 3.3.3 Conditions d’essai ... 72 3.4 Résultats ... 73
3.4.1 Premières observations pour (essai E1) ... 73
3.4.2 Maintien du phénomène au cours des cycles (essai E2) ... 81
3.4.3 Influence du brassage de l’air autour du fil non-chauffé (comparaison essais E2/ E3) ... 82
3.4.4 Influence d'une pré-déformation plus faible des fils (comparaison essais E1/E4) ... 83
3.4.5 Influence de la pré-déformation des fils (essais E5 à E9) ... 84
3.5 Modélisation et comparaison avec les résultats expérimentaux ... 87
3.5.1 Rappels ... 87
3.6 Conclusion ... 96
CHAPITRE 4. CONTROLE DU DEPLACEMENT DE LA FLECHE D’UNE POUTRE CONSOLE 98
4.1 Introduction ... 98
4.2 Principes généraux des démonstrateurs ... 99
4.2.1 Cas d’une poutre-console de section circulaire ... 99
4.2.2 Cas d’une poutre-console à section rectangulaire ... 101
4.2.2.1 Fonctionnement en mode « flexion plane » ... 102
4.2.2.2 Fonctionnement en mode « flexion déviée » ... 103
4.2.2.3 Ajout d’un système de pilotage ... 104
4.3 Réalisation pratique des démonstrateurs ... 105
4.3.1 Poutre-console à section circulaire (pour l’étude préliminaire) ... 105
4.3.2 Poutre-console à section rectangulaire ... 107
4.3.3 Ajout du système de pilotage ... 108
4.4 Liste des essais effectués ... 109
4.4.1 Température durant les essais ... 109
4.4.2 Procédure pour la poutre-console à section circulaire ... 109
4.4.3 Procédure pour la poutre-console à section rectangulaire ... 111
4.5 Résultats de l’étude préliminaire (poutre à section circulaire) ... 112
4.5.1 Influence du taux initial xinit de martensite orientée, sans charge extérieure : essais C1 à C5 ... 112
4.5.2 Réponse en présence d’un chargement P de 3N : essais C6 à C8 ... 114
4.5.3 Réponse en présence d’un chargement P de 5N : essais C9 à C11 ... 115
4.6 Résultats de la poutre à section rectangulaire en flexion plane ... 117
4.6.1 Essai R1 avec action seule des fils A et B ... 117
4.7 Mise en évidence de la possibilité de corriger la partie déviée de la flexion ... 120
4.7.1 Cas d’un seul fil chauffé (le fil C) : essais R3 et R4 ... 120
4.7.2 Cas de deux fils chauffés (B et C) : essai R5 ... 122
4.7.3 Influence de l’angle d’application de la force : essai R6 ... 123
4.8 Système avec pilotage ... 124
4.8.1 Premières observations : essais R7 à R10 ... 124
4.8.2 Influence de la fréquence dans le cas d’une consigne sinusoïdale : essais R11 à R13 ... 125
4.9 Modélisation et comparaison avec les résultats expérimentaux ... 126
4.9.1 Paramétrage ... 126
4.9.2 Equations de comportement de la structure ... 129
4.9.3 Application numérique et comparaison avec les résultats expérimentaux ... 131
4.10 Conclusion ... 137
CHAPITRE 5. CONTROLE DE LA FLECHE D’UNE POUTRE PAR PRECONTRAINTE ADAPTATIVE 139
5.1 Introduction ... 139
5.2 Principe général du système actif ... 140
5.2.1 Présentation ... 140
5.2.2 Principe de fonctionnement du système ... 141
5.3 Mise en équations du système ... 143
5.3.1 Caractéristiques mécaniques et géométriques du système ... 144
5.3.2 Equations statiques ... 144
5.3.3 Equations cinématiques ... 145
5.3.4 Rigidité élastique équivalente de l’ensemble poutrelle-câbles ... 146
5.3.5 Equations de fonctionnement du système actif ... 150
5.4 Etude expérimentale ... 155
5.4.1 Objectifs des essais réalisés ... 155
5.4.2 Paramètres de mesure ... 156
5.4.3 Conditions et listes des essais réalisés... 156
5.5 Comportement du système en l’absence de charge ... 159
5.6 Réponse du système à un cycle de chauffage-refroidissement ... 162
5.6.1 Effets de l’intensité et de la charge : essais E2 à E10 ... 162
5.6.2 Evolution du taux de martensite orientée dans les fils AMF ... 169
5.6.3 Rigidité du système au cours du cycle thermique ... 170
5.7 Vitesse de réaction du système actif ... 172
5.7.1 Vitesse d’évolution de la flèche durant la phase de chauffage ... 172
5.7.2 Effet de la vitesse de refroidissement sur la réponse du système ... 173
5.8 Mise en œuvre du dispositif de pilotage pour le contrôle de la flèche sous charge mobile ... 175
5.8.1 Contrôle de la flèche sous charge mobile : essais E19 à E21 ... 175
5.8.2 Contrôle de la flèche pour deux niveaux de la charge mobile : essais E22 et E23 ... 176
5.8.3 Contrôle de la flèche pour différentes valeurs de consigne : essais E24 et E25... 177
5.9 Conclusion ... 178
1
Introduction générale
Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont des matériaux métalliques qui présentent des propriétés thermomécaniques particulières telles que la super-élasticité, l’effet mémoire de forme et un fort pouvoir d’amortissement [LEX 13, LAG 10, OTS 04]. Le phénomène physique à la base de ces propriétés macroscopiques est un changement de phase solide-solide s'opérant à l'échelle du réseau cristallin. L'état cristallographique d'un AMF dépend de la contrainte mécanique et de la température dans le matériau. Les phases "basse" et "haute" températures sont qualifiées respectivement de martensite et austénite, par référence à la transformation de phase dans les aciers lors d'une trempe. Les transformations martensitiques dans les aciers présentent en effet certaines similarités avec les transformations de phase dans les AMF, notamment le caractère "displacif" de la modification cristalline. Il convient toutefois de noter que l'austénite et la martensite dans les AMF sont des phases métastables, au sens où l'on peut passer d'une phase à l'autre par variation lente de la température et/ou de la contrainte, postérieurement à une trempe (la phase austénite n'est en effet stable que vers 900°C et une trempe est nécessaire pour obtenir un AMF). Les plages de température et de contrainte dans lesquelles s’opère le changement de phase dans les AMF sont compatibles avec des applications en ingénierie. Les AMF ont trouvé des applications dans divers domaines de l'ingénierie tels que l’aéronautique, le biomédical et la robotique, et à un moindre niveau en génie civil [SON 06] : voir chapitre I de la thèse. En particulier, l’utilisation des AMF en tant qu’actionneurs mécaniques a été fortement étudiée dans la littérature [SIL 07, SCI 11, SUN 12, HUA 02].
L’effet mémoire simple-sens est caractérisé par une seule géométrie mémorisée par le composant AMF au dessus d'une certaine température, c'est-à-dire à l'état austénitique. Après déformation « pseudo-plastique » en dessous d’une certaine température, c'est-à-dire à l’état martensitique, le retour à la forme initiale du composant AMF est possible par chauffage de manière à revenir à l’état austénitique. L’effet mémoire double-sens est caractérisé quant à lui par deux géométries du composant AMF en fonction de sa température. Cet effet est plus délicat à utiliser. En effet, soit il nécessite une « éducation » préalable de l’AMF (consistant en l'application de nombreux cycles thermomécaniques afin de créer des contraintes internes dans le matériau), soit il faut effectuer le changement de température de l’AMF sous charge mécanique. Nous nous plaçons dans ce second cas pour cette thèse : on utilise des fils AMF à effet mémoire simple-sens, mais l’effet mémoire double-sens est obtenu par variation de température sous chargement mécanique.
Dans cette thèse, on cherche à utiliser des fils AMF simple-sens pour la création de structures actives, capables de contrôler leur état de précontrainte et de déformation. La Figure 0.1 présente un système mécanique statique quelconque, couplé à un ou plusieurs fils AMF. Ce système peut aussi bien être une pièce mécanique unique (comme sur la figure) ou un assemblage de plusieurs pièces avec des liaisons entre elles (comme dans un robot). Ce système peut être soumis à un effort extérieur, ou non. Dans ce système, on considère un point E. Dans un système robotique, ce pourrait être l’effecteur de fin du robot. Dans une structure
2 du génie civil, ce serait un point donné d’une poutre par exemple, dont on cherche à contrôler la flèche. L’objectif est de créer un mouvement cyclique de ce point E en faisant varier la température du ou des fils AMF, sans intervention mécanique extérieure. Par « cyclique », on entend le caractère « double-sens » du fonctionnement.
Figure 0.1 : Généralisation d’un système mécanique double-sens intégrant des fils AMF simple-sens. Le travail de thèse est effectué en deux phases :
trois modèles analogiques simples, représentant trois catégories de solutions constructives, sont développés. Précisons que nous ne développerons pas de « modèles AMF ». Les trois modèles correspondent à des types de couplages mécaniques différents entre un ou plusieurs fils AMF et une structure mécanique (voir chapitre II de la thèse) ;
plusieurs démonstrateurs sont ensuite construits et analysés (voir chapitres III à V).
Le manuscrit est donc organisé en cinq chapitres :
Le chapitre I présente un état de l’art sur les AMF. Après un court rappel sur les principales caractéristiques de ces matériaux, nous présentons diverses applications connues des AMF. En particulier, une distinction est faite entre les applications permettant un contrôle actif et un contrôle passif de la structure mécanique sur lequel le composant en AMF est placé.
Le chapitre II pose les bases conceptuelles pour la réalisation des différents démonstrateurs. Il s'agit de poser les principes permettant de créer une déformation ou une contrainte dans une
E
3 structure par activation thermique de l'effet mémoire simple-sens du ou des fils AMF positionnés sur cette structure. Trois modèles analogiques simples représentant des variétés de solutions constructives différentes seront proposés.
Le chapitre III concerne un premier démonstrateur réalisé, constitué simplement de deux fils AMF placés en série et dont la longueur totale reste constante.
Le chapitre IV concerne deux démonstrateurs de type poutre-console et équipés de fils AMF placés parallèlement à la poutre. Le premier démonstrateur est constitué d’une poutre-console à section circulaire sollicitée en flexion simple. Le second démonstrateur correspond à une poutre de section rectangulaire pouvant travailler en flexion simple ou déviée suivant l'orientation de l'effort appliqué. On montre que l'utilisation de quatre fils AMF placées parallèlement à la poutre le long des deux axes principaux de la section permet de déplacer l'extrémité de la poutre dans les deux dimensions. On montrera notamment qu'il est possible dans certains cas d'annuler la partie déviée de la flexion. Ce chapitre se termine par une étude sur la possibilité de piloter la flèche de la poutre. Par "pilotage", on entend ici le suivi d'une consigne. Notons que pour des raisons de temps, seul le cas de la flexion simple a été abordé pour cette application avec pilotage.
Enfin, le chapitre V concerne un démonstrateur de type poutrelle isostatique sur deux appuis sollicitée en flexion trois-points, et équipée de fils AMF. Une masse se déplace le long de la poutrelle, faisant varier la flèche de celle-ci. Un système de contrôle est mis en place pour limiter la flèche de la poutrelle en temps réel. Dès que la flèche atteint une valeur limite, le système de contrôle déclenche l’activation des fils d’AMF de manière à borner la flèche à la valeur limite.
L'analyse de ces différents démonstrateurs ouvre des perspectives qui sont présentées dans un chapitre conclusif.
4
CHAPITRE I
5
Chapitre 1.
E
TAT DE L’
ART1.1 Introduction
Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) présentent des propriétés tout à fait différentes des alliages métalliques usuels. Ces propriétés ont leur origine dans un phénomène de transformation de phase à l'état solide, piloté par la température et la contrainte mécanique appliquée au matériau. Les AMF possèdent des propriétés thermomécaniques spécifiques qui permettent de les qualifier de matériaux « intelligents ». Notamment, les propriétés de super-élasticité, de mémoire de forme et d’amortissement leur confèrent des potentialités pour des applications spécifiques dans divers domaines de l'ingénierie. On choisit dans cet état de l’art de distinguer les applications des AMF avec et sans contrôle actif. Par « contrôle actif », nous entendons ici la possibilité de modifier l’action du composant AMF en temps réel en fonction de la valeur d’un paramètre mesuré (un déplacement, une force, etc). Ce chapitre est organisé de la manière suivante :
la section 1.2 est un rappel sur les propriétés de transformation de phase à l'échelle cristalline dans les AMF, ainsi que sur les principales propriétés thermomécaniques macroscopiques qui en découlent ;
la section 1.3 présente des exemples simples (en laboratoire) de création de mouvement à l’aide d’AMF ;
la section 1.4 présente des applications des AMF sans contrôle actif (dans les domaines de l’aéronautique, du biomédical, robotique et du génie civil) ;
la section 1.5 présente des applications des AMF avec contrôle actif (dans les domaines du génie civil et de la robotique).
1.2 Transformations martensitiques et propriétés thermomécaniques des
AMF
Cette section est organisée de la manière suivante :
la section 1.2.1 fait un court rappel historique sur la découverte des AMF ;
la section 1.2.2 présente les bases sur les transformations martensitiques dans les AMF ;
la section 1.2.3 présente les propriétés thermomécaniques des AMF ;
la section 1.2.4 présente le principe de création de contrainte par activation thermique de l’effet mémoire lorsque la déformation est bloquée ou empêchée. C’est ce principe qui sera développé dans la suite de la thèse.
6 1.2.1 Historique
C'est en 1932 que Chang et Read ont découvert la transformation de la microstructure qui provoque les caractéristiques de mémoire de forme dans un alliage or-cadmium [JEM 09, DIE 07]. Il a fallu ensuite attendre trois décennies, en 1962, pour que Buehler et al. au Naval Ordinance Laboratory découvrent un alliage nickel-titane (Ni-Ti) qui présentait également l’effet mémoire de forme [DIE 07]. En variant le pourcentage des composants, ils ont pu faire varier la température de transformation de phase dans une plage de 0°C à 100°C. Cet alliage est plus facilement utilisable que les alliages précédemment découverts car ses constituants sont disponibles à faible coût. De plus, il fait preuve d’un effet mémoire plus remarquable. Enfin, il résiste mieux à la surchauffe et peut subir un nombre considérablement important de cycles de transformation sans perte significative de l’effet mémoire de forme [DIE 07]. Nous avons choisi dans cette thèse de travailler sur un alliage Ni-Ti du fait de ces performances. 1.2.2 Bases sur les transformations martensitiques dans les AMF
1.2.2.1 Définitions
Historiquement, le terme de "transformation martensitique" était réservé aux transformations de phase dans les aciers. Il décrit la transformation lors de la trempe d’un acier pour donner de la martensite à partir de la phase austénite (normalement stable à haute température) : voir les travaux de l’allemand Martens qui observa pour la première fois ce phénomène en 1897, d’où l’appellation "martensite". Une définition plus générale a été établie en 1979 [COH 79, CHA 07] : c’est une transformation de phase displacive du premier ordre, sans diffusion, et caractérisée par une déformation homogène du réseau cristallin. Cette déformation est constituée principalement par un cisaillement. La cinétique de transformation et les microstructures obtenues sont dominées par l’énergie de déformation. Par extension, les termes austénite, martensite et transformation martensitique ont été généralisés à un grand nombre d’alliages dont les transformations de phase possèdent certaines caractéristiques similaires à celle des aciers [LUB 09].
Dans les AMF, l'austénite est stable à très haute température (environ 900°C), mais elle peut être maintenue à plus basse température par une trempe : on parle alors de phase métastable. La symétrie de l'austénite est de type BCC (cubique à corps centré) dans tous les AMF connus. La symétrie de la martensite dépend quant à elle de la composition chimique de l'AMF et du procédé d'élaboration du matériau. La martensite est obtenue à partir de l'austénite par application d'une contrainte mécanique ou par diminution de la température. Par convention, on appelle :
- austénite (A) la phase "haute température", - martensite (M) la phase "basse température".
7 Figure 1.1 Déformation engendrée par la transformation de phase : plan d’habitat ABC entre
l'austénite et la martensite [LUB 09].
L'interface entre les phases austénite et martensite est appelée "plan d’habitat" [PHI 98, LUB 09] : voir Figure 1.1. La Figure 1.2 montre le diagramme d'état, donnant l'état de l'AMF en fonction de la température et de la contrainte, et suivant le sens de la transformation [ROC 01]. Un AMF est caractérisé par 4 températures de transformation :
- martensite-start (Ms) et martensite-finish (Mf) pour la transformation AM (on peut rajouter des exposants « 0 » ou « » pour préciser qu’il s’agit des valeurs de températures obtenues avec ou sans application de contrainte mécanique, voir Figure 1.2),
- austenite-start (As) et austenite-finish (Af) pour la transformation MA.
8 Les AMF qui ont trouvé des applications sont à base cuivre (CuZnAl, CuZn, CuAl, CuNiAl, CuAlBe…) ou à base nickel-titane (Ni-Ti, Ni-Ti-Cu, Ni-Ti-Pd…), que l’on appelle également Nitinol.
1.2.2.2 Martensite auto-accommodante
Lors du refroidissement d’un monocristal d’austénite, un certain nombre de domaines martensitiques se crée, avec des orientations différentes de plans d’habitat. Ces domaines martensitiques différents sont appelés "variantes de martensite". Les variantes ont strictement la même structure cristalline, mais diffèrent par leurs orientations dans l'espace et leurs plans d’habitat avec l'austénite. En général, 24 variantes peuvent être formées à partir d’un monocristal d’austénite. En l'absence de contrainte mécanique, ces variantes sont équiprobables et leurs déformations se compensent de telle sorte que le changement de forme macroscopique est nul. On parle de « martensite auto-accommodante » (Figures 1.3 et 1.4) : voir Réfs. [VAN 94, GUE 89, REJ 00, LOP 02, BAI 09, GIB 09].
Figure 1.3 : Variantes de martensite auto-accommodantes [LOP 02].
Figure 1.4 : Création de la martensite auto-accommodante par refroidissement de l’austénite sans application de contrainte [GIB 09].
1.2.2.3 Martensite orientée (par l'application d’une contrainte)
Lorsque l’on applique une contrainte mécanique, certaines variantes sont favorisées par rapport à d’autres, produisant alors une déformation macroscopique : voir Figure 1.5 où l'AMF a une déformation macroscopique importante [LOP 02]. Dans cette figure, la variante devient dominante lorsque la contrainte est appliquée. On parle alors de
9 « martensite orientée ». Une déformation permanente est observée si la température est inférieure à . Si l’on chauffe ensuite cette martensite au dessus de , on retrouve l’état initial austénitique, et par conséquent la forme initiale. Ceci est à la base de l’effet mémoire de forme simple-sens, qui sera approfondi plus loin dans le chapitre.
Figure 1.5 : Création de martensite orientée par application d’une contrainte [LOP 02].
1.2.3 Propriétés thermomécaniques des AMF Cette section est organisée de la manière suivante :
la section 1.2.3.1 présente l’effet mémoire simple-sens ;
la section 1.2.3.2 présente l’effet mémoire double-sens (non-assisté par la contrainte) ; la section 1.2.3.3 présente l’effet mémoire double-sens assisté par la contrainte ; la section 1.2.3.4 présente la super-élasticité ;
la section 1.2.3.5 présente les propriétés d’amortissement.
Les deux dernières propriétés seront présentées rapidement car elles ne sont pas exploitées dans la suite de la thèse.
1.2.3.1 Effet mémoire simple-sens
L'effet mémoire simple-sens est défini comme le recouvrement de forme par chauffage après déformation « pseudo-plastique » en phase martensitique. A l’échelle macroscopique, l’effet mémoire de forme simple-sens est illustré par la Figure 1.6 [DEB 14].
10 Figure 1.6 : Effet mémoire simple-sens à l’échelle macroscopique [DEB 14].
La Figure 1.7 illustre l’effet mémoire simple-sens dans l’espace contrainte-déformation-température [CHE 09]. Le matériau est initialement austénitique au point A. Il est refroidi à une température inférieure à et est alors totalement à l’état de martensite auto-accommodante en B. Il est important de noter que la forme de l’échantillon de matériau est macroscopiquement inchangée entre A et B. Ensuite une contrainte externe est appliquée et l’échantillon prend une autre forme (déformation macroscopique) : l’échantillon change de forme entre les points B et C. Lors de l’application de cette contrainte, il y a eu déformation élastique de la martensite, puis « réorientation » de la martensite. L’échantillon est ensuite soumis à un déchargement de C à E. Une déformation subsiste. Il suffit alors de réchauffer le matériau au-delà de pour que la transformation inverse se produise : le retour en austénite fait que l’échantillon retrouve sa forme initiale (retour au point A).
11 1.2.3.2 Effet mémoire double-sens (non-assisté par la contrainte)
L’effet mémoire double-sens des AMF traduit le passage de l’austénite à la martensite orientée par simple variation de température, et ceci sans appliquer d’effort mécanique au matériau. Ceci n’est possible que pour des AMF ayant préalablement subi un « entrainement » particulier (cyclage en température à contrainte constante, ou en contrainte à température constante) [JEM 09]. On appelle cela le « processus d’éducation » [BAZ 90]. Ce processus induit des contraintes internes et crée des dislocations au sein du cristal. Au refroidissement, ces contraintes internes favorisent certaines variantes de martensite, formant ainsi de la martensite orientée [CHE 09]. Ces AMF à effet mémoire double-sens ont débouché sur peu d’applications car leurs durées de vie sont en général faibles [CHE 09].
1.2.3.3 Effet mémoire double-sens assisté par la contrainte
On considère un AMF à effet mémoire simple-sens auquel est appliqué un chargement mécanique. A « chaud », le matériau est en austénite (forme 1), légèrement déformée élastiquement du fait de la contrainte. A « froid », il est à l’état de martensite orientée (forme 2) du fait de l’application d’une contrainte. Le passage de la forme 1 à la forme 2 et inversement se fait simplement par variation de la température. La Figure 1.8 montre le trajet correspondant dans le plan contrainte-température et dans le plan déformation-température.
Figure 1.8 : Effet mémoire double-sens (assisté par la contrainte) [LOP 02]. chaud froid σ temperature F F F F Forme 2 Forme 1 Forme 1 Forme 2
12 1.2.3.4 Super-élasticité
Cette propriété est obtenue lors qu’une contrainte croissante est appliquée à un AMF initialement austénitique [LOP 02]. Il est possible de déformer de façon élastique jusqu'à 8 % ou plus pour certains monocristaux d’AMF. Les valeurs sont plus faibles pour des polycristaux. Toutefois, pour les AMF polycristallins à base Ni-Ti, les déformations réversibles sont classiquement de l’ordre de 5-6-7%. La Figure 1.9 montre le trajet dans le plan contrainte-température et dans le plan contrainte-déformation correspondant à la super-élasticité d’un AMF [DEL 11]. Nous choisissons de ne pas développer davantage cette propriété afin de nous focaliser sur la propriété qui va être utilisée dans le reste de la thèse, à savoir l’activation thermique de la mémoire de forme pour la génération de contrainte ou de déformation.
Figure 1.9 : Super-élasticité [DEL 11]. 1.2.3.5 Effet d’amortissement
Les AMF présentent des propriétés d’amortissement particulières. La Figure 1.10 présente l’évolution du frottement interne d’un AMF en fonction de la température. Un alliage dans la phase purement austénitique offre de faible capacité d’amortissement. Dans l’état purement martensitique, son aptitude au frottement augmente à cause de mouvement des interfaces entre les variantes de martensite lors d’une vibration. C’est lorsque le matériau contient à la fois de l’austénite et de la martensite que les propriétés d’amortissement sont les meilleures. Ceci est dû au mouvement des interfaces austénite/martensite. Là aussi, nous choisissons de ne pas développer davantage cette propriété pour nous focaliser sur la propriété qui va être utilisée ensuite dans le reste de la thèse : voir section suivante.
σ Strain (%) ε (%) T A M A M Martensite orientée austénite
13 Figure 1.10 : Propriétés d’amortissement des AMF.
1.2.4 Génération de contrainte par activation thermique de l’effet mémoire On considère le cas d’un échantillon d’AMF contenant initialement de la martensite orientée. Une fois soumis à une augmentation de température, si l’effet mémoire de forme est empêché, l’AMF va générer d’importantes contraintes. La Figure 1.11 présente le mécanisme de manière schématique :
la Figure 1.11-a montre un échantillon initialement à l’état de martensite auto-accommodante à basse température < (étape 1) [MOR 10]. On lui applique une contrainte entre les étapes 1 et 2. L’échantillon passe de l’état de martensite auto-accommodante à l’état de martensite orientée. Ensuite il est bloqué à ses extrémités. A l’étape 3, il est soumis à une augmentation de température, avec > : la martensite orientée se transforme alors en austénite, ce qui crée l’apparition d’une contrainte car le retour à la géométrie initiale est empêché (étapes 4-5) ;
la Figure 1.11-b présente l’évolution dans le plan contrainte-déformation.
Figure 1.11 : Mécanisme de génération de contrainte [MOR 10].
co nt ra in te température M A Très bonnes propriétés Bonnes propriétés A+M température A+M M A fr ot tem en t i nt ern e déformation C on tr ai nt e ε σ b) 5 3 2 4 1
14
1.3 Exemples simples de création de mouvement par des AMF
On présente ici des exemples simples de création de mouvement à l’aide d’AMF, réalisés en laboratoire.
On peut citer l’exemple d’une masse appliquée à un ressort AMF à l’état martensitique à basse température : voir Figure 1.12 issue de la référence [CHE 09]. A froid, le ressort s’allonge (réorientation de la martensite) : la masse se déplace vers le bas. Au chauffage, on passe de martensite orientée à l’austénite, ce qui crée le soulèvement de la masse. C’est l’effet mémoire double-sens assisté par la contrainte, réalisé à l’aide d’AMF à effet simple-sens.
Figure 1.12 : Dispositif permettant de soulever une masse à l’aide d’un ressort en AMF simple-sens [CHE 09]. Illustration de la propriété de mémoire de forme double-sens assistée par la contrainte. Il existe également de nombreuses expériences de laboratoire réalisées à l’aide d’AMF à effet simple-sens couplé à un autre élément travaillant de manière antagoniste afin de créer un système à effet mémoire double-sens.
Huang a utilisé deux ressorts dont l’un au moins est un AMF initialement à l’état de martensite orientée (voir Figures 1.13-b et -c) [HUA 02]. On parvient ainsi à créer le mouvement du point P en procédant au chauffage de l’AMF.
Sun et al. ont aussi travaillé sur deux ressorts AMF antagonistes agissant sur une lame en plastique : voir Figure 1.14 [SUN 12].
15 Figure 1.13 : Trois exemples de création de mouvement utilisant des ressorts AMF : a) système à effet
simple-sens; b et c ) systèmes à effet double-sens [HUA 02].
Figure 1.14 : Utilisation de deux ressorts AMF agissant sur une lame en plastique : a) chauffage du ressort droit ; b) chauffage du ressort gauche [SUN 12].
Dans le cas de deux fils AMF antagonistes, on peut citer les travaux de Hang [HUA
98] : voir Figure 1.15. A partir de deux fils à effet mémoire simple-sens, il a été possible de faire un système à effet mémoire double-sens.
On peut aussi citer la réalisation de travaux sur des fils antagonistes enroulés autour de disques (voir Figure 1.16). Ces disques en rotation disposent de gorges servant pour l’enroulement des fils. Le système permet la création d’un mouvement de rotation au chauffage de l’un ou l’autre des deux fils AMF.
Sciré Mammano et al. ont également réalisé des travaux pour mettre à profit la compensation des déformations de deux fils AMF antagonistes [SCI 11].
16 Figure 1.15 : Utilisation de deux fils AMF simple-sens pour créer un système à double-sens [HUA
98].
Figure 1.16: Actionneur rotatif double-sens utilisant deux fils AMF simple-sens enroulés [HUA 98]. Paulo et al. ont travaillé sur un fil AMF à effet simple-sens associé à un ressort en
acier classique (voir Figure 1.17) [PAU 13]. Par simple variation thermique du fil AMF, on parvient à développer un allongement ou raccourcissement du ressort.
Figure 1.17: Utilisation d’un AMF à effet seimple-sens, couplé à un ressort classique en acier [PAU 13]
17 Après ces exemples simples réalisés en laboratoire, les sections ci-dessous présentent des applications en ingénierie des AMF.
1.4 Applications des AMF sans contrôle actif
On présente ici des applications en ingénierie des AMF sans contrôle actif, c'est-à-dire qu’il n’y a pas de pilotage de l’AMF en temps réel en fonction de la valeur d’un paramètre mesuré (un déplacement, une force, etc). En pratique, on chauffe ou on refroidit simplement l’AMF pour changer l’état du système.
1.4.1 Applications en aéronautique
La Figure 1.18 présente la première application industrielle des AMF [HUA 98]. C’est un manchon de raccordement pour des conduites hydrauliques à base de Ni-Ti. L’application a été développée en 1969 par la compagnie Raychem afin de remédier à des problèmes de raccordement. Plus de cent mille couplages de ce type ont été réalisés sur des avions de chasse de type F-14.
Figure 1.18 : Manchon d’accouplement en AMF [HUA 98].
Boeing et une agence du Département de la Défense des États-Unis (DARPA) ont développé des volets hypersustentateurs intégrés dans le bord de fuite flexible d’une aile d’un avion : voir Figure 1.19 [MOR 10]. Ces volets sont actionnés à l’aide de deux fils AMF connectés au bord de fuite de l’aileron flexible d’une part, et sur l’extrados et l’intrados d’autre part. Cela permet d’alléger considérablement les ailes, et réduit les nuisances sonores, car la plupart de ces éléments étaient lourds et peu aérodynamiques.
18 Les avancées technologiques concernant l’activation des AMF ont également permis d’améliorer les performances en roulis des avions de chasse. La NASA, le laboratoire de recherche de l’U.S. Air Force et Boeing Phantom Works ont mené conjointement des travaux sur ce sujet : voir Figure 1.20 [MOR 10]. L’objectif est d’obtenir une amélioration de performance en roulis en utilisant la torsion d’ailes flexibles. Cette technologie permet de créer des ailes plus fines, permettant de réduire la masse structurelle de l’aile de 10 à 20% [MOR 10].
Figure 1.20: Aile aéroélastique active lors d’une manœuvre de virage [MOR 10].
Morellon a conçu un modèle d’aile adaptative à base des fils en Ni-Ti (voir Figure 1.21) [MOR 10]. Au chauffage du fil AMF, la peau flexible de l’aile de l’avion se déplace. A l’arrêt du chauffage, l’aile revient à sa position initiale.
19 Figure 1.21 : Représentation schématique d’une voilure (peau flexible) avec système d'actionnement
en AMF [MOR 10].
La Figure 1.22 présente un dispositif utilisé au niveau d’un réacteur d’avion de type Boeing 777-300 ER [MOH 14]. Des AMF sont installés au niveau des chevrons du réacteur. Ils permettent au réacteur d’avoir une géométrie variable par flexion des chevrons. Ce dispositif se révèle très efficace pour réduire le bruit au décollage en maximisant la flexion du chevron. Ceci permet aussi d’augmenter l'efficacité en vitesse de croisière en minimisant la flexion du chevron pendant le vol.
Figure 1.22 : Réacteur avec chevrons à géométrie variable sur un Boeing [MOH 14].
La Figure 1.23 présente une étude sur une aile pour petits avions sans pilote, avec actionnement par AMF [SOF 10]. Ceci permet la modification du profil de l’aile par flexion et torsion, afin d'améliorer les performances aérodynamiques.
20 Figure 1.23 : Ailes avec forme changeante utilisant des actionneurs antagonistes en AMF [SOF 10]. La Figure 1.24 présente également une étude sur le changement de forme d’une aile [BAS 14]. L’idée est de déformer l'aile en fonction des conditions de vols. Des ressorts en AMF sont associés à des ressorts classiques pour offrir aux ailes plusieurs degrés de liberté. En actionnant les AMF, la forme de l’aile se modifie. Quand l’AMF n’est pas actionné, les ressorts se chargent de faire reprendre à l’aile sa forme initiale.
Figure 1.24 : Mécanisme de changement de forme d’une aile en utilisant des ressorts en AMF [BAS 14].
21 1.4.2 Applications dans le domaine biomédical
La biocompatibilité du Nitinol a fait de ce type d’AMF le matériau par excellence pour des applications biomédicales. La Figure 1.25 présente un cas illustratif de l’utilisation d’AMF sous formes d’agrafes ou de plaques pour le traitement de fractures [LAS 01].
Figure 1.25 : Utilisation biomédicale des AMF : a) plaque en NiTi pour une fracture de la mâchoire inférieure, b) agrafes en Ni-Ti [LAS 01].
La Figure 1.26 présente des stents en AMF proposés pour le traitement de problèmes cardio-vasculaires [VAU 16]. Ce sont des structures tubulaires fines sous forme de treillis. Ils sont placés dans l’aorte.
Figure 1.26 : Valve aortique de CoreValve [VAU 16].
22 La Figure 1.27 présente une utilisation des AMF sous forme de barre plate en Ni-Ti pour repositionner des os faciaux à leurs positions initiales après rupture [HAC 95]. Ces barres sont refroidies en-dessous de leur température de transformation, puis placées dans la zone fracturée. Une fois à la température du corps, elles se contractent. La pression créée aide le processus de guérison et réduit le temps de rétablissement du patient.
Figure 1.27 : Exemple d’application des AMF dans le biomédical [HAC 95].
La Figure 1.28 présente une utilisation des AMF sous forme d’entretoise placée entre deux vertèbres (voir Figure 1.27) [DUE 96]. L’entretoise assure un renfort local des vertèbres et empêche des mouvements traumatiques pendant le processus de guérison. Elle est utilisée par exemple dans le traitement de la scoliose.
Figure 1.28 : Exemple d’utilisation d’AMF pour des problèmes de scoliose. a) Vertèbres spinales et entretoise en AMF, b) entretoise à l'état martensitique et austénitique [DUE 96].
23 En 2007, Shiraishi et al. ont mené des travaux sur le myocarde artificiel en utilisant une fibre en AMF (voir Figure 1.29-a) [SHI 07]. Cette technique permet d’aider le ventricule dans son fonctionnement naturel. Elle peut être appliquée chez des patients ayant subi un AVC cardiaque. La Figure 1.29-b présente un dispositif de support mécanique utilisant des fibres circulaires en AMF pour aider la circulation pulmonaire chez des patients atteints de maladies cardiaques congénitales.
Figure 1.29 : Exemples d’application utilisant de fibres AMF dans le domaine de la chirurgie cardiaque [SHI 07].
1.4.3 Applications en robotique
Henry et al. ont inventé des liaisons à rigidité variable en y intégrant des AMF [HEN 13]. Les liaisons sont constituées de plusieurs sections. La rigidité globale de la liaison peut être contrôlée en faisant subir à certaines sections une variation thermique spécifique. Ces liaisons peuvent être utilisées dans les mécanismes robotiques, dans l’aéronautique ou dans les systèmes d’amortissement pour l’automobile. Mekaouche a réalisé ses travaux de thèse sur la rigidité active d’une structure de robot flexible en utilisant un ressort en AMF. Ces travaux ont permis d’obtenir des cartes de rigidité active dans un espace de travail donné du robot [MEK 16].
1.4.4 Applications en génie civil
Cette section présente des applications des AMF pour : la réparation des structures en béton (section 1.4.4.1),
24 la fermeture de fissures (section 1.4.4.2),
la création de précontrainte dans des structures (section 1.4.4.3), le contrôle sismique passif des structures (section 1.4.4.4). 1.4.4.1 Applications pour la réparation des structures en béton
Plusieurs travaux ont été menés sur l’utilisation des AMF pour la réhabilitation des ouvrages [DOL 00, DOL 01, IND 01, MOT 08, DHI 12]. Seuls quelques cas ont abouti à la réparation des structures existantes. A titre d’exemple, la Figure 1.30 montre les réhabilitations de la cloche de la tour de l’église Saint Giorgio [IND 01], des tympans de transept de la basilique Saint Francisco [CRO 01] et de la synagogue de San Francisco [PAR 08].
Figure 1.30 : Ouvrages ayant été réhabilité grâce à des AMF : a) église Saint Giorgio, b) basilique Saint Francisco, c) synagogue de San Francisco [IND 01, CRO 01, CRO 01, PAR 08].
La Figure1.31 présente l’illustration de la propriété de superélasticité mise à profit dans la procédure d’autorégulation de structures à l’aide de tirants en AMF (cas de la tour de l’église Saint Francisco en Italie) [CRO 01].
Figure 1.31 : Schéma de modification d’une tour grâce à des tirants en AMF [CRO 01]. 1.4.4.2 Applications pour la fermeture de fissures dans le béton
Song et al. ont mis en œuvre un concept du béton armé « intelligent » en se servant de l’activation de l’effet mémoire des AMF (voir Figure 1.32) [SON 06]. Des fils d’AMF
25 initialement à l’état martensitique permettent de créer de la précontrainte au chauffage. Ceci permet par exemple de réduire l’ouverture des fissures dans un composant en béton (« auto-réhabilitation »).
Figure 1.31 : Principe de béton armé intelligent [SON 06].
Pour illustrer ce concept, Song et al. ont réalisé une étude sur une poutrelle en flexion sur deux appuis [SON 06]. Des fils d’AMF sont incorporés dans la poutrelle. Un dispositif électrique permet de chauffer les fils par effet Joule (voir Figure 1.33-a). Une charge est appliquée à mi-portée, faisant apparaitre des fissures (voir Figures 1.33-b et 1.33-c). Sans décharger la poutre, un courant électrique est appliqué dans les fils AMF, qui cherchent alors à se raccourcir. La Figure 1.33-d montre que les fissures se referment effectivement. En 2008, le même type d’étude a été réalisé par Li et al. (voir Figure 1.34) [LI 08].
Figure 1.33 : Applications pour la fermeture de fissures dans le béton. a) poutrelle et fils électriques permettant de chauffer les AMF intégrés dans le béton, b) poutrelle sollicitée en flexion, c) ouverture
de fissure, d) fermeture de fissure grâce à l’activation thermique des AMF [SON 06].
a)
b)
26 Figure 1.34 : Evolution d’une fissure lors de l’activation thermique de fils AMF insérés dans une
poutrelle en béton [LI 08].
La Figure 1.35 présente également une étude sur une poutrelle en flexion trois points équipée d’un fil AMF [SUN 12]. Ce fil est initialement à l’état martensitique et est placé à l’extérieur de la poutrelle (sous la poutrelle). La poutrelle est soumise à une charge, faisant apparaitre une fissure dans le béton. Au chauffage du fil AMF, la fissure se referme.
Figure 1.35 : Fermeture de fissure d’une poutrelle en flexion trois points par activation thermique d’un fil AMF disposé à l’extérieur de la poutre [SUN 12].
La Figure 1.36 présente une autre utilisation des AMF pour la fermeture de fissure dans un composant en béton [MOT 08]. Le premier cas de réparation a été réalisé dans le Michigan aux Etats Unis en 2001. Il concerne une fissure qui est apparue dans une poutre en béton armé à section en T dont la résistance au cisaillement est faible. Des barres AMF à base de Fe-Mn-Si-Cr ont été utilisées. Elles sont initialement à l’état martensitique et disposées perpendiculairement aux fissures. En procédant par activation thermique de l’effet mémoire, il apparait des contraintes dans les barres, ce qui permet la réduction de fissure.
27 Figure 1.36 : Réparation d’une zone fissurée dans un pont situé dans le Michigan [MOT 08]. Otero et al. ont réalisé des travaux sur une poutre en béton dans laquelle sont incorporés des fils d’AMF (voir Figure 1.37) [OTE 04]. La poutre est soumise à une charge importante pour créer des fissures en son sein. Une fois que la poutre est déchargée, la fissure se referme grâce à la propriété de mémoire de forme des AMF (« auto-restauration » de la structure).
Figure 1.37 : Poutre contenant des fils en AMF. a) ouverture de fissures provoquée par chargement mécanique, b) fermeture de fissures grâce à auto-restauration [OTE 04].
1.4.4.3 Applications pour la création de précontraintes dans des structures en béton
La Figure 1.38-a présente une étude sur des poutrelles en béton avec création de précontrainte à l’aide de fils AMF [TRA 12]. Les fils sont initialement à l’état martensitique et pré-étirés. Ils sont placés à l’extérieur de la poutrelle et encastrés aux extrémités sur la poutrelle. Le chauffage entraîne le retour à l’état austénitique, entrainant l’apparition de contrainte car le retour à la longueur initiale est gêné. La Figure 1.38-b présente les principaux résultats obtenus. Ces résultats montrent l’évolution de la déformation de la poutrelle, mesurée par des jauges à mi-portée, lors du chauffage et du retour à la température ambiante. Une précontrainte de flexion est ainsi créée.
28 Figure 1.3 8: Précontrainte de flexion des poutrelles à l’aide des fils d’AMF. a) dispositif ; b) évolution de la déformation longitudinale à mi-travée de la poutrelle pour différentes valeurs de
pré-déformation [TRA 12].
En 2008, Choi et al. ont mené des travaux sur le confinement de cylindres en béton : voir Figure 1.39 [CHO 08]. Les fils AMF utilisés sont de type Ni-Ti, soit à l’état martensitique, soit à l’état austénitique. Ces fils sont enroulés sur la surface latérale des cylindres, sans toutefois activer l’effet mémoire (on parle de confinement « passif »). Les résultats à l’écrasement des cylindres montrent que la configuration des fils à l’état martensitique permet d’augmenter la résistance et la ductilité du béton, tandis que la configuration à l’état austénitique améliore seulement la ductilité.
Figure 1.39 : Confinement passif d’un cylindre en béton et essais d’écrasement [CHO 08].
29 Shin et al. ont également réalisé des travaux de confinement sur des cylindres en béton [SHI 10] : voir Figure 1.40. Ici, le confinement est activé par le chauffage des fils initialement à l’état de martensite (on parle de confinement « actif », au sens où il existe une précontrainte avant même d’écraser les échantillons) La Figure 1.41 présente les résultats obtenus : la contrainte dans le cylindre confiné de manière active est nettement supérieure à celle du cylindre non-confiné (gain de 21%).
Figure1.40 : Confinement actif d’un cylindre en béton et essai d’écrasement [SHI 10].
Figure1.41 : Comparaison entre des cylindres non-confiné et confiné activement [SHI 10]. La Figure 1.42 présente les travaux sur le confinement de cylindres de béton en utilisant des fils AMF de type Ni-Ti et Ni-Ti-Nb [CHO 10]. Les cylindres avec fils en Ni-Ti-Nb donnent à l’écrasement des contraintes plus élevées que ceux utilisant des AMF classiques en Ni-Ti.
30 Ceci est dû à une différence de température de transformation entre les deux types d’alliage, le Ni-Ti-Nb se transformant pour des températures plus basses.
Figure 1.42 : Confinement actif d’un cylindre en béton par [CHO 10] : a) photo du dispositif, b) comparaison des résultats obtenus.
Tran et al. ont réalisé des essais de compression sur des éprouvettes cylindriques en béton non-confinées et confinées à l’aide de fils en Ni-Ti (voir Figure 1.43) [TRA 15]. La Figure 1.44 présente les résultats obtenus. La résistance des cylindres confinés est supérieure à celle des cylindres non-confinés. De plus, le confinement actif est plus efficace que le confinement passif (ce dernier cas correspond au cas d’utilisation de l’AMF à l’état austénitique, sans transformation de phase lors de l’essai). De manière générale, la présence du fil en AMF améliore de manière significative la performance mécanique du béton en termes de rigidité, résistance et ductilité.
31 Figure 1.43: Ecrasement de cylindres en béton : a) non-confiné, b) confiné à l’aide d’un fil AMF
[TRA 15].
Figure 1.44 : Variation de la contrainte pour différentes configurations lors de l’écrasement d’un cylindre en béton [TRA 15].
Shin et al. ont réalisé des travaux de renforcement de colonnes en béton en utilisant des fils AMF à base Ni-Ti-Nb: voir Figure 1.45 [SHI 12]. Le renforcement latéral permet l'élimination complète des dommages dans la configuration testée. De plus, le confinement à l’aide de fils en Ni-Ti-Nb permet d’améliorer la résistance de la structure par rapport à l’utilisation des fils en Ni-Ti.
32 Figure 1.45 : Précontrainte de cylindres en béton par des fils AMF, selon Shin M. [SHI 12]. En 2014, Debska a mené une étude sur le confinement sur des cylindres creux en béton en utilisant des fils AMF Ni-Ti [DEB 14]. Deux cylindres ont été confinés à mi-hauteur (voir Figure 1.46). Un autre n’a pas été confiné. Les trois cylindres ont été soumis à une même force de compression. La conclusion des travaux est que la précontrainte créée par le fil AMF améliore la performance des cylindres.
Figure 1.46 : Etude sur des cyclindres creux renforcés par fil AMF [DEB 14].
33 1.4.4.4 Applications pour le contrôle sismique (passif) des structures
En termes de prévention sismique, Dolce et al. ont développé et étudié un système d’isolement par dissipation de l’énergie sismique grâce à des fils AMF [DOL 01]. Mayes et al. ont utilisé des ressorts en AMF dans le même but [MAY 01]. L’impact des AMF sur le changement de fréquence de résonnance du système et de son amplitude a été mis en évidence dans ces travaux. Li et al. ont utilisé des AMF pour amortir la vibration d’un câble de pont [LI 04]. DesRoches et al. ont placé des barres AMF sur un pont pour diminuer les effets sismiques : voir Figure 1.47 [DES 02]. Dans le cas des ouvrages du génie civil, plusieurs travaux ont également été menés : Clark et al. ont par exemple installé des dispositifs de dissipation d’énergie en fil Ni-Ti sur des baies de bâtiments (voir Figure 1.48) [CLA 95]. Williams et al. ont aussi réalisé des travaux sur la diminution des fréquences de vibration en utilisant un amortisseur adaptatif passif comportant des éléments en AMF [WIL 02]. En 2014, Helbert a étudié la contribution à la durabilité de câbles de génie civil vis-à-vis de la fatigue par un dispositif amortisseur à base de fils NiTi [HEL 14].
Figure 1.47 : Schéma d’installation d’une barre en AMF sur un pont pour la prévention sismique [DES 02].
Figure 1.48 : Schéma d’installation des bretelles en AMF pour la prévention sismique [CLA 95].
1.5 Applications des AMF avec contrôle actif
On présente maintenant des applications en ingénierie des AMF avec contrôle actif, c'est-à-dire qu’il y a un pilotage de l’AMF en temps réel en fonction de la valeur d’un paramètre mesuré.
34 1.5.1 Application en génie civil
Cette section 1.5.1 est organisée de la manière suivante :
la section 1.5.1.1 présente des applications pour le contrôle actif de la déformation d’une structure de type poutre ;
la section 1.5.2.2 présente des applications pour le contrôle actif des vibrations dans les structures.
1.5.1.1 Contrôle de la déformation d’une poutre
La Figure 1.49 concerne les travaux relatifs au contrôle de la flexion d’une poutrelle en acier au moyen d’un fil AMF placé parallèlement à celle-ci [DA 07]. La flexion de la poutrelle est provoquée en chauffant le fil AMF. Un dispositif mesure en temps réel la flèche à mi-portée. L’objectif est de suivre une consigne en fonction du temps en agissant par chauffage du fil AMF. Grâce à la rigidité de la poutre, l’arrêt du chauffage permet de restituer le moment provoqué pendant le chauffage. Ainsi, le système fonctionne à double-sens.
Figure 1.49: Système de contrôle actif d’une poutrelle à l’aide d’un AMF [DA 07].
Deng et al. ont également réalisé des travaux sur le contrôle de la flèche d’une poutre en béton à l’aide de fils AMF : voir Figure 1.50 [DEN 06]. Les fils initialement martensitiques sont incorporés dans la poutre. La mesure de la flèche est effectuée à mi-portée en temps réel. Une charge est ensuite appliquée. Dès que la flèche mesurée excède la valeur programmée, le système commence à alimenter le fil en courant électrique afin d’activer thermiquement l’effet mémoire.
35 Figure 1.50 : Système de contrôle de la flexion d’une poutre à l’aide d’un fil AMF [DEN 06]. Ces différents travaux montrent qu’il est possible de créer des structures intelligentes en béton pour des applications en génie civil.
1.5.1.2 Contrôle actif des vibrations dans les structures
Baz et al. ont mené des travaux sur la fiabilité de l’utilisation d’actionneurs à base d’AMF pour le contrôle actif des vibrations en flexion d’une poutre [BAZ 90]. Ils ont utilisé un capteur de position pour surveiller la vibration. Le signal est envoyé à un micro-ordinateur par l'intermédiaire d'un convertisseur, et une comparaison est faite par rapport à une position désirée de la poutre. Un système de contrôle en vibration de la structure flexible a été ainsi mis en place. Les résultats obtenus montrent que les AMF sont des éléments fiables pour amortir la vibration des systèmes flexibles.
1.5.2 Applications en robotique
Cette section 1.5.2 est organisée de la manière suivante :
la section 1.5.2.1 présente des applications pour le contrôle de la rigidité des robots ; la section 1.5.2.2 présente des applications pour le contrôle de mouvement en
robotique.
1.5.2.1 Contrôle de la rigidité des robots
Les AMF sont aussi utilisés pour augmenter la rigidité de certaines structures par activation de l’effet mémoire. Shivram et al. ont développé une série d’éléments à rigidité variable [SHI 12]. Ces éléments sont commandés par actionneur à rigidité variable et contrôlable. Ils contiennent des organes en matériaux intelligents et notamment des AMF. Ces éléments sont destinés à améliorer la stabilité des supports des mécanismes mobiles et les dispositifs de manutention. Le système de contrôle est effectué à l’aide de capteurs adaptés pour détecter les changements dans les caractéristiques de fonctionnement du véhicule. Heinonen et al. ont développé un dispositif semi-actif avec un actionneur intelligent contenant des organes en AMF [HEI 08]. Ils ont utilisé un capteur de déplacement inductif pour mesurer la déformation
36 de l’AMF. Ce dispositif a été conçu dans l’objectif d’être utilisé pour l’amortissement des vibrations d’un robot. La variation de la rigidité se fait par le changement des conditions aux limites auxquels est soumis le dispositif mécanique.
1.5.2.2 Contrôle de mouvement en robotique
Hino et al. ont utilisé des fils en AMF pour l’actionnement d’un doigt robotisé en utilisant les propriétés de non-linéarité des AMF pour reproduire le comportement des muscles humains [HIN 04]. Ils utilisent des jauges de contraintes pour mesurer et contrôler la tension du fil AMF. Hadi et al. ont également travaillé sur un module robotisé pour endoscopie [HAD 16]. Trois actionneurs sont utilisés pour orienter l’endoscope. Ils ont utilisé un capteur d’inclinaison intégré au module permettant de mesurer les angles d’inclinaisons du module dans deux plans (vertical et horizontal) : voir les Figures 1.51 et 1.52.
Figure 1.51 : Dispositif d’essais et paramètres géométriques pour l’actionnement d’un doigt robotisé [HAD, 16].
37 Figure 1.52 : Doigt robotisé : a) différents élements composant le module ; b) schéma du dispositif de
pilotage[HAD, 16].
La Figure 1.53 présente des travaux sur un nouveau type de robot permettant de répondre à des exigences variables en termes de tâches robotiques [HAD 10]. Le but est de créer un système modulaire de robot dont la configuration peut être rapidement et facilement changée. Des ressorts en AMF sont incorporés au sein du module pour permettre un déplacement selon deux degrés de liberté. Un système d’actionnement permet le chauffage et le retour à l’ambiante des ressorts en AMF, afin de créer une rotation du système. Les auteurs utilisent des détecteurs de position intégrés dans les articulations du module pour mesurer la position angulaire.
b) a)
38 Figure 1.53 : Robot à module flexible actionné par AMF [HAD 10].
On peut constater qu’il y a peu d’applications des AMF intégrant un contrôle actif du système.
1.6 Conclusion
Les différentes propriétés des AMF et leurs domaines d’applications ont été abordés dans ce chapitre. Nous avons fait le choix dans cet état de l’art de distinguer les applications des AMF avec et sans contrôle actif (c’est-à-dire avec possibilité ou non de piloter en temps réel l’action du composant AMF en fonction de la valeur d’un paramètre mesuré). Bien que chaque application ait été présentée que de manière succincte, il apparait clairement que l’utilisation des AMF en ingénierie ouvre de nombreuses perspectives technologiques. La suite de ce manuscrit se focalise sur la création de démonstrateurs basés sur l’utilisation de fils AMF afin de créer des efforts et des déplacements dans des structures. La partie relative au contrôle actif sera également abordée.
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