Optimisation of hybrid ice protection systems based on coatings and electromechanical actuators

Optimisation des systèmes de dégivrage hybrides basés sur des revêtements et des actionneurs électromécaniques Le givre représente un défi majeur dans l’aviation, affectant sécurité et efficacité. Les systèmes actuels de protection contre le givre offrent une barrière efficace mais nécessitent une puissance et une maintenance importantes. De plus, avec la transition de l’industrie aéronautique vers des avions à propulsion électrique, les systèmes dépendant des moteurs à combustion deviennent obsolètes, poussant à développer de nouveaux systèmes électriques.Les systèmes de dégivrage électromécaniques ont récemment démontré des avantages en termes d’énergie et de réduction de poids embarqué. Ces systèmes utilisent des actionneurs piézoélectriques intégrés dans la structure, faisant vibrer celle-ci à des fréquences de résonance, générant des concentrations de contraintes et facilitant la libération d’énergie dans la glace. Ces effets combinés peuvent provoquer la fissuration de la glace et, éventuellement, sa délamination.Par ailleurs, les revêtements antigivre suscitent aussi un intérêt croissant pour leur capacité à réduire ou empêcher l’accumulation de glace. Ils peuvent modifier les propriétés mécaniques à l’interface glace-structure, réduisant par exemple la résistance au cisaillement ou la ténacité. La combinaison de tels revêtements avec un système de dégivrage électromécanique pourrait améliorer l’efficacité des systèmes actifs de protection contre le givre ou réduire leur consommation d’énergie.Cette thèse examine l’efficacité d’un système hybride de protection contre le givre utilisant à la fois des revêtements antigivre et des actionneurs piézoélectriques. Elle est structurée en deux parties principales.La première partie explore les mécanismes de rupture qui peuvent survenir dans l’épaisseur de glace et à l’interface entre la glace et la structure. Cette étude se concentre sur l’évaluation des mécanismes de rupture pour des modes de résonance et dimensions différents de la couche de glace. Pour évaluer ces mécanismes, il est important de caractériser les propriétés critiques à l’interface des surfaces revêtues et non revêtues. A l’aide d’outils d’analyse modale et de fracture, les différents mécanismes de rupture de la glace sont identifiés, et les conditions d’actionnement sont définies pour des plaques non revêtues. La même étude est ensuite réalisée sur des plaques revêtues, démontrant les mécanismes de rupture et les modifications causées par l’utilisation de revêtements. Des tests additionnels en soufflerie givrante ont été effectués sur des plaques revêtues et non revêtues, afin d’évaluer leurs comportements de dégivrage.La deuxième partie de la thèse se concentre sur l’optimisation du système de dégivrage résonant électromécanique. En général, deux types de modes de résonance peuvent être excités : les modes de flexion et les modes d’extension. Les modes d’extension, avec des déplacements dans le plan, peuvent dégivrer des zones importantes de la surface. Ces modes sont efficaces s’ils sont purs et pas perturbés par des modes de flexion. Cependant, le couplage entre les modes d’extension et de flexion se produit naturellement pour des substrats fins recouverts de glace. Dans cette partie de la thèse, les effets inertiels expliquant ce couplage sont démontrés en utilisant l’approche d’Euler-Lagrange. Le modèle analytique montre également comment les effets inertiels peuvent être atténués en ajustant le rapport entre le module de Young et la densité du système pour qu’il soit proche de celui de la glace. Le concept de matériaux multicouches est utilisé pour concevoir des structures de plaques piézoélectriques permettant d’obtenir des modes d’extension purs pour le dégivrage. Les capacités de dégivrage sont testées sur des prototypes métalliques recouverts de glace, et les mêmes principes de conception sont ensuite appliqués aux matériaux composites.