Ailes battantes déformables inspirées de l'insecte et rigidifiées par un réseau de plis
Auteur / Autrice : | Roméo Antier |
Direction : | Ramiro Godoy Diana, Benjamin Thiria |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 15/12/2021 |
Etablissement(s) : | Université Paris Cité |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....) |
Jury : | Président / Présidente : Nicolas Vandenberghe |
Examinateurs / Examinatrices : Ramiro Godoy Diana, Benjamin Thiria, Nicolas Vandenberghe, Marianna Braza, Joel Marthelot, Corinne Rouby, Florence Bertails | |
Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Vandenberghe, Marianna Braza |
Mots clés
Résumé
Il a été montré que des ailes artificielles souples étaient plus efficaces que des ailes rigides pour propulser un insecte ou un drone bioinspiré. Dans la nature, les ailes d'insectes sont composées d'une membrane supportée par un réseau de veines. La combinaison de ces différents éléments confère une rigidité anisotrope à l'aile. La configuration du réseau de veines joue un rôle dominant dans la déformation de l'aile et dans la génération de forces aérodynamiques. Plusieurs espèces d'insecte, notamment les névroptères, possèdent des ailes rigidifiées principalement par deux veines : une constituant le bord d'attaque, et une autre orientée d'une vingtaine de degrés par rapport au bord d'attaque, en direction du bord de fuite. Pour améliorer l'efficacité de la propulsion, il est notamment possible de réduire la masse des ailes. Pour cela, nous proposons dans cette thèse de substituer le réseau de veines par un réseau de plis. Les plis présentent l'avantage de rigidifier localement une structure sans augmenter la quantité de matière utilisée. Dans le but d'étudier des ailes anisotropes homogènes, nous nous intéressons à la rigidification par des plis d'une membrane souple en forme d'aile. La première étape est de caractériser le comportement mécanique en flexion d'un ruban plié, modélisant un pli simple. Plus l'angle du pli est aigu, plus le ruban est rigide. Les expériences réalisées ont mis en lumière une asymétrie de flexion du ruban. Lorsque la flexion est dans le sens du pli, les faces flambent et le ruban vrille. Lorsque la flexion est en sens opposée au pli, l'ouverture de l'angle du pli permet à la structure de fléchir. Dans le second cas, où la flexion est négative, nous apportons une explication théorique au comportement observé à l'aide d'un modèle de poutre couplé à un modèle d'ouverture du pli. Le comportement dynamique du ruban plié est ensuite étudié. Les expériences de vibrations montrent un comportement non-linéaire assouplissant de la structure pour de petites amplitudes d'oscillation. Nous expliquons ce comportement par l'ouverture du pli en flexion négative, et par un flambement des faces en flexion positive. Enfin, une recherche et une compréhension de la configuration optimale du réseau de plis sont menées à l'aide d'un modèle d'aile composé d'une membrane souple et de deux veines. Nous observons expérimentalement un optimum de génération de forces aérodynamiques pour un angle entre les veines de vingt degrés. Nous proposons une modélisation cinématique de l'aile à partir d'un modèle de poutres en vibration pour estimer les forces de propulsion.