Déploiement régulé de structures spatiales : vers un modèle unidimensionnel de mètre ruban composite

• Auteur / Autrice : François Guinot
• Direction : Bruno Cochelin, Christian Hochard, Stéphane Bourgeois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Solides
• Date : Soutenance le 05/01/2011
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Potier-Ferry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Cochelin, Christian Hochard, Stéphane Bourgeois, Michel Potier-Ferry, Pierre-Alain Boucard, Sébastien Neukirch, Bernard Maurin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Alain Boucard, Sébastien Neukirch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux viscoélastiques

Modèles mathématiques

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Éléments finis, Méthode des

Mécanique non linéaire

Cinématique

Mots clés libres

Structures déployables

Déploiement régulé

Mètres-rubans

Structures minces

Mécanique non linéaire

Poutres à section déformable

Elastica

Principe d'Hamilton

Dynamique

Deployable structures, Controlled deployment, Tape-springs

Thin structures

Non linear mechanics

Deformable cross-section beams

Elastica

Hamilton principle

Dynamics

Résumé

Dans un contexte où l'utilisation de structures déployables s'est généralisée, le département Recherche de la société Thales Alenia Space étudie un nouveau concept de télescope spatial dont le miroir secondaire est déployé grâce au déroulement de six mètres rubans. Des études antérieures ont permis la mise au point d'un prototype constitué de rubans métalliques dont le déploiement s'est avéré trop violent. Dans ce travail de thèse nous proposons d'une part un nouveau type de ruban à la vitesse de déroulement maîtrisable et d'autre part un modèle original décrivant le comportement dynamique de tels rubans, permettant de mieux appréhender les phénomènes complexes pouvant intervenir lors de scénarios de pliage, de déploiement ou de déroulement. La solution envisagée pour contrôler la vitesse de déroulement repose sur l'exploitation des propriétés mécaniques d'une couche de matériau viscoélastique collée à la surface du ruban. Ces propriétés variant avec la température permettent de garantir un maintien de la position enroulée à froid et assurent un déroulement régulé grâce à un réchauffage localisé. Ces phénomènes ont été mis en évidence expérimentalement et numériquement. La lourdeur des méthodes classiques de modélisation et le manque de richesse des méthodes simplifiées nous ont conduit à développer un modèle de poutre à section fortement déformable permettant de décrire le comportement dynamique des rubans en grands déplacements. Partant d'un modèle de coque, l'originalité de la méthode repose essentiellement sur l'introduction d'une cinématique de type elastica pour décrire les grandes variations de forme de la section. Un modèle énergétique 1D est obtenu en intégrant dans la section et le problème est résolu à l'aide du logiciel de modélisation par éléments finis COMSOL. On propose finalement un modèle continu 1D à 4 paramètres cinématiques qui permet de rendre compte d'une large gamme de phénomènes intervenant dans des scénarios complexes de pliage, de déroulement et de déploiement dynamique.

The research department of Thales Alenia Space is studying new concepts of space telescopes whose secondary mirror is deployed thanks to the unreeling of six tape-springs. A breadboard using metallic tape-springs has been built during preliminary studies and has exhibited a deployment that is too energetic and induce too important shocks.In this thesis a new kind of tape-spring with a controlled uncoiling speed is introduced. Secondly a rod model with highly deformable thin-walled cross-sections describing the dynamic behaviour of tape-springs is derived.In order to over come the deployment speed of a tape spring, a viscoelastic layer is stuck on its sides. Thanks to its properties varying with the temperature, the viscoelastic layer is used to maintain the tape-spring in a coiled configuration at low temperature whereas a local heating leads to a controlled uncoiling. These phenomenons have been underlined experimentally and numerically.Because of the high complexity of classical shell models and the lack of details of simplified models, smart modelling methods need to be developed to describe the highly non linear behaviour of a tape-spring. A planar rod model with highly deformable thin-walled cross-sections that accounts for large displacements and large rotations in dynamics is proposed. Starting from a classical shellmodel, the main additional assumption consists in introducing an elastica kinematics to describe thelarge changes of the cross-section shape with very few parameters. The expressions of the strain andkinetic energies are derived by performing an analytical integration over the section. The Hamilton principle is directly introduced in a suitable finite element software to solve the problem. Several examples (folding, coiling and deployment of a tape spring) are studied through the FEM software COMSOL to demonstrate the ability of the 4-parameter model to account for several phenomena: creation of a single fold and associated snap-through behaviour, splitting of a fold into two, motion of a fold along the tape during a dynamic deployment, scenarios of coiling and uncoiling of a bistable tape-spring.