Evalutation et optimisation des transferts thermiques aux interfaces des assemblages pour le domaine spatial

Evaluation and optimisation of heat transfer for interfaces between assemblies for space applications

• Auteur / Autrice : Simon Vandevelde
• Direction : Alain Daidié, Marc Sartor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - INSTITUT CLEMENT ADER - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Souad Harmand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Daidié, Marc Sartor, David Thevenet, Erwan Verron, Christian Puillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Thevenet, Erwan Verron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transferts thermiques

Spatial

Elements finis

Matériaux d'interface thermique

Essais expérimentals

Heat transfer

Aerospace

Finite elements

Thermal interface materials

Experimental test campaign

Résumé

Les assemblages par éléments de fixation vissés sont présents à différentes échelles dans les équipements spatiaux. L'augmentation de la puissance et la miniaturisation des électroniques embarquées accroît le besoin d'un couplage thermique performant entre l'équipement et la structure du satellite. Ce couplage peut être obtenu par des matériaux d'interface thermiques placés entre les pièces assemblées. Une maitrise du comportement mécanique et thermique est essentielle afin dans un premier temps de pouvoir évaluer la performance thermique d'une interface et ensuite de pouvoir étudier les pistes d'amélioration.Cette thèse s'intéresse à deux types de matériaux d'interface différents avec une application industrielle pour le domaine spatial, afin de couvrir un large spectre et mettre en œuvre un protocole universel. Premièrement, les travaux s’orientent sur la caractérisation mécanique et thermique exhaustive des matériaux d'interface à partir de laquelle un modèle matériau numérique est construit. Ce modèle matériau est ensuite intégré dans la simulation d'un assemblage complet contenant le matériau d'interface, le boitier électronique et les fixations. Des démonstrateurs basés sur des applications industrielles existantes ont été conçus et leur comportement mécanique et leur performance thermique ont été vérifiés expérimentalement puis confrontés aux simulations numériques. Les résultats mécaniques et thermiques expérimentaux confirment les résultats numériques. La simulation numérique a permis de comprendre certains phénomènes prédominant au sein de l’application industrielle. En effet, les deux matériaux ont dévoilé des problématiques différentes comme l’importance des conditions de serrage pour le premier matériau d’interface souple (Tflex) et de la zone de contact pour le second matériau d’interface rigide (Chotherm).Lors de la simulation numérique d’un des démonstrateurs, une perte de contact importante qui affecte fortement la performance thermique a été identifiée. Ce constat accentue le besoin et l’importance de la maîtrise du comportement des matériaux d’interface dans une application industrielle. Une amélioration a été proposée et testée qui consiste à ajouter une surcouche de matériau d’interface là où le contact est perdu. Cette solution a permis d’augmenter la performance thermique de l’interface de 26% dans le cas d’étude considéré pour cette thèse.

Bolted assemblies are present at different scales on equipment for space applications. The increase of power and the miniaturization of the electronics amplifies the need for a performant coupling between equipment and the spacecraft’s structure. This coupling can be obtained by thermal interface materials placed in between assembled pieces. The mastery of mechanical and thermal behaviours is the key to be able to evaluate the interface’s thermal performance at first and study improvement possibilities afterwards.This study addresses two different thermal interface materials with a different industrial application in order to cover a large spectrum and implement a universal protocol. At first, the exhaustive mechanical and thermal characterisation process is discussed on which the numerical material model is built. This material model is then integrated in a simulation containing the whole assembly including the interface material, electronic equipment structure and bolts. Demonstrators based on existing industrial applications are developed and their mechanical behaviour and thermal performance are verified by experiments and compared against numerical simulations. The mechanical and thermal results obtained from the test campaign confirm the numerical results. The numerical simulations have permitted to understand different predominant phenomena in the industrial applications. Indeed, the two different materials have revealed a different problematic such as for example the importance of the contact surface for a rigid interface material and the importance of the conditions during tightening of the bolts for a soft interface material.During the numerical simulation of a demonstrator it was found that the loss of contact affects strongly the thermal performance. This observation accentuates the need and importance to master the behaviours of interface materials in industrial applications. An amelioration has been proposed and tested which consisted of adding a secondary layer of interface material their where the contact was lost. This solution has allowed to increase the thermal performance by 26 % in the case of the demonstrator studied in this work.