Développement d'un outil de modélisation aéroélastique du vol battu de l'insecte appliqué à la conception d'un nano-drone résonant

Aeroelastic framework of insect-like flapping-wing applied to the design of a resonant nano air vehicle

• Auteur / Autrice : Thomas Vanneste
• Direction : Eric Cattan, Sébastien Grondel, Jean-Bernard Paquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 04/07/2013
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d'électronique- de microélectronique et de nanotechnologie / IEMN
• Partenaire(s) de recherche : Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Cattan, Sébastien Grondel, Jean-Bernard Paquet, Régis Dufour, Kevin Knowles, Vincent Chapin, Jean-Camille Chassaing
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Régis Dufour, Kevin Knowles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroélasticité

Insectes -- Vol

Microdrones à ailes battantes

Mots clés libres

Aile battante

Modèle aéroélastique

Aile souple

Optimisation

Outil de dimensionnement

Flapping-wing

Aeroelastic framework

Flexible wing

Optimization

Design tool

Résumé

Développer, à partir de zéro, un drone imitant le vol battu de l'insecte est une tâche ambitieuse et ardue pour un designer en raison du manque de savoir-faire en la matière. Pour en accélérer le développement pendant les phases de design préliminaires, un outil modélisant les phénomènes aéroélastiques du vol de l'insecte est un véritable atout pour le designer et est le sujet de cette thèse. Le cœur de cet outil est un solveur éléments finis 'structure' couplé, en utilisant une approche par tranche, à un modèle aérodynamique quasi-statique du vol de l'insecte prenant en compte la flexibilité de l'aile, à la fois selon l'envergure et la corde, mais aussi ses grands déplacements. L'ensemble est conçu de manière à contenir le coût de calcul tout en étant assez modulaire pour s'adapter à un large panel d'applications. Afin de valider l'intégralité de cet outil, un processus en deux étapes a été entrepris avec d'abord une approche numérique et ensuite une validation expérimentale grâce à un banc de caractérisation dédié. Les résultats du modèle concordent de manière satisfaisante dans les deux cas, capturant l'amortissement dû aux forces aérodynamiques, et ouvrent ainsi la voie à son utilisation pour le design de drones à ailes battantes. Pour démontrer l'intérêt de cette approche lors des phases de design préliminaires, deux applications sur un nano-drone résonant sont réalisées: la définition d'une stratégie d'actionnement efficace et la recherche d'une géométrie d'aile potentiellement intéressante d'un point de vue aérodynamique, en couplant l'outil de modélisation à un algorithme génétique. Les résultats obtenus sont cohérents avec ceux trouvés dans la nature et sont en cours d'implémentation sur le drone.

Developing insect-like flapping-wing drones from scratch is an ambitious and arduous task for designers due to a lack of well-established know-how. To speed up the development of such vehicles through the preliminary design stage, a framework modeling the aeroelastic phenomena encountered in insect flight is an asset and is the subject of this thesis. Its kernel is a FEM based structural solver coupled in a blade-element approach to a quasi-steady aerodynamic model of insect flight accounting for the wing flexibility, both in the spanwise and in the chordwise direction, and for its large displacement. The complete framework is devised so as to maintain the computation load low while being modular enough for a wide range of applications. To validate the overall aeroelastic framework, a two-steps process has been undertaken with in one hand numerical studies and in the other hand experimental ones acquired on a dedicated test bench. The framework computation agrees satisfactorily, capturing the damping due to the aerodynamic force, and thus paves the way for preliminary design applications of a flapping-wing vehicle. To exhibit the capabilities of the framework as a preliminary design tool, two applications on a resonant nano air vehicle are performed: the definition of an efficient actuation strategy and the search of an aerodynamic potentially interesting wing geometry by plugging the framework to a genetic algorithm. The results are coherent with the ones found in nature and are under implementation on the nano air vehicle.