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Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Numerical and experimental investigation of the design of a piezoelectric de-icing system for small rotorcraft

Villeneuve Eric. (2020). Numerical and experimental investigation of the design of a piezoelectric de-icing system for small rotorcraft. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Aircraft in-flight icing is an important problematic in the aerospace industry, especially for small helicopters. All rotorcraft currently habilitated to fly under icing conditions are equipped with electrothermal systems. They are not fitted to small and even medium size helicopters, which cannot provide the high power required and bear the additional weight of those systems. As an alternative, this research investigates the use of piezoelectric actuators to develop a low-energy vibration based ice protection system that could be implemented on small rotorcraft. The objective of this project was divided in four parts: (1) to design a piezoelectric actuator-based de-icing system integrated to a flat plate experimental setup and develop a numerical model of the system with experimental validation, (2) use the experimental setup to investigate actuator activation with frequency sweeps and transient vibration analysis, (3) add ice layer to the numerical model and predict numerically stresses for different ice breaking with experimental validation, and (4) bring the concept to a blade structure for wind tunnel testing. First, preliminary numerical analysis was performed to gain basic guidelines for the integration of piezoelectric actuators in a simple flat plate experimental setup for vibration-based de-icing investigation. The results of these simulations allowed to optimize the positioning of the actuators on the structure and the optimal phasing of the actuators for mode activation. A numerical model of the final setup was elaborated and an experimental setup was fabricated faithful to the numerical model at the laboratory with piezoelectric actuator patches bonded to a steel flat plate. The experimental setup was brought at the National Research Council Canada (NRC) for testing with a laser vibrometer to validate the numerical results. The experimental results validated the model when the plate is optimally excited with an average of error of 20% and a maximal error obtained of 43%. However, when the plate was not efficiently excited for a mode, the prediction of the numerical data was less accurate. This was not a concern since the numerical model was developed to design and predict optimal excitation of structures for de-icing purpose. The experimental setup was used to study transient vibration occurring during frequency sweeps. Acceleration during different frequency sweeps was measured with an accelerometer on the flat plate setup. The results obtained showed that the vibration pattern was the same for the different sweep rate (in Hz/s) tested for a same sweep range. However, the amplitude of each resonant mode increased with a sweep rate decrease. Investigation of frequency sweeps performed around different resonant modes showed that as the frequency sweep rate tends towards zero, the amplitude of the mode tends toward the steady-state excitation amplitude value. Since no other transient effects were observed, this signifies that steady-state activation is the optimal excitation for a resonant mode. To validate this hypothesis, the flat plate was installed in a cold room where ice layers were accumulated. Frequency sweeps at high voltage were performed and a camera was used to record multiple pictures per second to determine the frequencies where breaking of the ice occur. Consequently, the resonant frequencies were determined from the transfer functions measured with the accelerometer versus the signal of excitation. Additional tests were performed in steady-state activation at those frequencies and the same breaking of the ice layer was obtained, resulting in the first ice breaking obtained in steady-state activation conditions as part of this research project. These results confirmed the conclusions obtained following the transient vibration investigation, but also demonstrated the drawbacks of steady-state activation, namely identifying resonant modes susceptible of creating ice breaking and locating with precision the frequencies of the modes, which change as the ice accumulates on the structure. Results also show that frequency sweeps, if designed properly, can be used as substitute to steady-state activation for the same results. An ice layer was added to the numerical model. Five accelerometers were installed on the flat plate to measure acceleration. Validation of the vibration amplitude predicted by the model is performed experimentally and the stresses calculated by the numerical model at cracking and delamination of the ice layer are determined. A stress limit criteria is then defined from those values for both normal stress at cracking and shear stress at delamination. As a proof of concept, the numerical model was then used to find resonant modes susceptible of generating cracking or delamination of the ice layer within the voltage limit of the piezoelectric actuators. The model also predicts a voltage range within which the ice breaking occurs. The experimental setup is used to validate positively the prediction of the numerical model. Finally, the concept was brought to a small blade structure both numerically and experimentally. Limitations of the measurement systems limited the validation of the numerical model. However, partial validation was still done and complete de-icing was successfully obtained in rotation in wind tunnel. The concept was extrapolated numerically to a full tail rotor structure showing the potential benefit in power reduction of the system.

Le givrage en vol diminue grandement les performances des hélicoptères pouvant mener à l’écrasement de l’appareil. Le système de dégivrage électrothermique, seul système présentement développé pour ces véhicules, consomment beaucoup trop d’énergie pour les petits et moyens appareils ne laissant aucune autre alternative à ceux-ci que de demeurer cloué au sol lors de ces événements. Afin de palier à ce problème, un système à faible énergie basé sur la vibration créée par des actuateurs piézoélectriques est étudié. L’objectif de ce projet de recherche peut être divisé en quatre sous-objectifs. Le premier étant de développer un système de dégivrage piézoélectrique intégré à un montage expérimental d’une plaque plane encastrée ainsi que son modèle numérique et sa effectuer sa validation expérimentale. L’intégration des actuateurs doit être optimisée afin que le montage permette le bris de glace. En second lieu, il faut utiliser ce même montage expérimental pour investiguer l’excitation des actuateurs piézoélectriques à l’aide de balayage fréquentiel et analyser la vibration transitoire. De cette façon des informations sur l’excitation optimale des actuateurs seront obtenues pour la suite du projet. En troisième lieu, il faut ajouter une couche de glace au modèle numérique initial et effectuer une seconde validation expérimentale du modèle modifié. Ensuit le modèle validé sera utilisé pour étudier et prédire numériquement les contraintes pour différents bris de glace. Comme preuve de concept, des bris de glace seront prédits avec le modèle. Finalement, les résultats issus de la plaque plane seront transposés à une structure de pale de queue d’hélicoptère pour des essais en soufflerie. En premier lieu, des analyses numériques préliminaires ont été réalisées pour obtenir les concepts de bases permettant l’intégration du système piézoélectrique à la plaque plane pour l’étude du dégivrage par vibration. Les résultats de ces analyses ont permis l’optimisation du positionnement des actuateurs sur une plaque plane ainsi que le phasage d’excitation du signal de commande de ces derniers. Des essais expérimentaux avec le montage expérimental final de la plaque plane ont été réalisés au Conseil National de Recherches Canada (CNRC) à l’aide d’un vibromètre laser pour mesurer précisément les différents modes de résonnance. Les résultats expérimentaux ont ainsi permis de valider le modèle numérique développer sous Abaqus lorsque la plaque était excitée optimalement avec une erreur moyenne de 20% et maximale de 43%. Le montage expérimental de la plaque plane a ensuite été utilisé pour étudier la vibration transitoire obtenue lors de balayages fréquentiels. L’accélération pendant les différents balayages fréquentiels effectués a été mesurée à l’aide d’un accéléromètre positionné directement sur la plaque plane. Les résultats obtenus ont démontré que le profil de vibration était le même quel que soit la vitesse de balayage et la bande fréquentielle utilisées. Cependant, l’amplitude de chaque mode de résonance augmente avec une diminution de la vitesse de balayage. Des balayages fréquentiels effectués autour de différents modes de résonance ont permis de montrer qu’à mesure que la vitesse de balayage tend vers zéro, l’amplitude de vibration tend vers la valeur en régime établi pour ce même mode. Comme aucun autre effet transitoire n’a été mesuré, cela signifie que le régime établi est l’excitation optimale pour un mode de résonance. Pour valider cette hypothèse, le montage de la plaque plane a été installé en chambre climatique où des couches de glace ont été accumulées sur cette dernière. Des balayages fréquentiels à haut voltage ont été effectués et synchronisés à une caméra afin de déterminer les fréquences d’excitation pour lesquelles les bris dans la glace sont obtenus. Des essais en régime établi ont été effectués aux mêmes modes obtenus lors des balayages et ont permis d’obtenir les premiers bris de glace en régime établi, confirmant les résultats obtenus lors de l’étude transitoire. Ils ont aussi permis d’identifier les désavantages de l’excitation en régime établi, c’est-à-dire de pouvoir identifier les modes susceptibles de briser la glace numériquement et de déterminer avec exactitude la fréquence de ces modes. Les résultats ont ainsi permis de démontrer que des balayages fréquentiels correctement déterminés peuvent être utilisés pour se substituer au régime établi. Afin de pouvoir valider le modèle numérique avec présence d’une couche de glace cinq accéléromètres ont été installés sur la plaque plane pour mesurer l’accélération lors des différents essais en chambre climatique. La validation expérimentale de la réponse vibratoire du modèle numérique de la plaque avec la glace a ainsi permis de déterminer les contraintes mécaniques nécessaire pour engendrer la fissuration ou la délamination de la couche de glace. Cela a ainsi permis de défini un critère de limite de contrainte pour les deux types de bris. Ces critères ont ensuite été utilisés dans des simulations numériques pour identifier les modes susceptibles de provoquer un bris dans la glace ainsi que les niveaux de tension des actuateurs piézoélectriques requis, valeurs qui ont été validées expérimentalement. Pour la dernière étape, le concept de la plaque plane équipée des actuateurs piézoélectriques a été transposé à la structure d’une petite pale, et ce, autant numériquement qu’expérimentalement. Les limitations du système de mesure ont permis d’effectuer une validation partielle du modèle numérique. De plus, les tests expérimentaux ont permis d’obtenir un dégivrage complet de la pale entraînée en rotation dans une soufflerie givrante. La puissance nécessaire pour ce dégivrage était inférieure de près de 25% à celle des systèmes thermiques présentement utilisés. Cependant, la configuration de petite pale n’était pas jugée optimale pour le système, limitant ces capacités à réduire la consommation de puissance. Ces limitations n’étant pas les mêmes pour une pale de rotor de queue réelle, le concept a donc été extrapolé numériquement a une pale de rotor de queue complète d’hélicoptère pour estimer les bénéfices potentiels d’un tel système sur la consommation de puissance nécessaire au dégivrage de cette dernière. Les résultats, bien que préliminaire, ont confirmé que la réduction de puissance pourrait être de loin supérieur que celle obtenue avec la petite pale, avec une réduction par rapport aux systèmes électrothermiques supérieure à 90%.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2020
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:238
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie aéronautique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Volat, Christophe
Ghinet, Sebastian
Perron, Jean
Mots-clés:de-icing, ice protection system, experimentation, numerical model and simulations, piezoelectric, actuators, rotorcraft, vibration, hélicoptère, piézoélectrique, actuateurs, dégivrage, protection contre la glace, model, experimental, numerical simulations
Déposé le:09 févr. 2021 08:42
Dernière modification:12 févr. 2021 00:26
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