Contribution à l’optimisation topologique de structures piézoélectriques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Contribution to the topology optimization of piezoelectric structures

Contribution à l’optimisation topologique de structures piézoélectriques

Résumé

Nowadays, the development of micromechatronics systems requires the integration of a set of functionalities including actuation and measurement in a reduced volume. The design of such systems remains a delicate process due to their complexity and the coupling effects between the structure and its actuation and measurement mechanisms. Several solutions have been proposed in the literature in particular the optimal design methods. For example, they allow to optimize the actuator/sensor location within a supporting structure, simultaneous or separate optimization of actuator dimensions, design with guaranteed performance, design based passive and active blocks, etc. However, they optimize only the geometric parameters of the structure and its activemechanisms. This limits in advance the shape of the active mechanisms and consequently those of the resulting structures. To achieve high-performance micromechatronics systems with a high density integration, we propose in this thesis to develop a design tool based topology optimization. Therefore, the thesis aims to demonstrate the interest of this method for the design of piezoelectric structures. First, the physics of piezoelectric material was integrated into the SIMP topology optimization approach (Solid Isotropic with Material Penalization). Then, the extended approach was implemented under MATLAB. Finally, two structures, a 1D actuator and a 2D positioner, were designed using the developed tool and then fabricated. Numerical simulations and experimental validations have shown a good agreement between the optimized structures and the prototypes, thus demonstrating the interest and the potential of this optimization approach.
Aujourd'hui, le développement de systèmes micromécatroniques nécessite d’intégrer un ensemble de fonctionnalités notamment l'actionnement et la mesure dans un volume de plus en plus réduit. La conception de tels systèmes demeurent ainsi une démarche délicate de par leur complexité et la prise en considération des effets de couplage entre la structure et ses mécanismes d’actionnement et de mesure. Plusieurs solutions ont été proposées dans la littérature en particulier les méthodes de conception optimale. Elles permettent entre autres le placement optimal du couple actionneur/capteur au sein d’une structure porteuse, l’optimisation simultanée ou séparée des dimensions des actionneurs, la conception avec performances garanties, la conception à partir de blocs élémentaires passifs et actifs, etc. Cependant ces approches se limitent à un ensemble de paramètres discrets, réduisant le champ de conception des structures étudiées en imposant des hypothèses sur la forme initiale du système. Pour aboutir à des systèmes micromécatroniques performants avec une forte densité d’intégration, nous proposons dans cette thèse de développer un outil de conception à base d'optimisation topologique. La thèse a donc trait à démontrer l’intérêt de cette méthode dans le cadre de la conception de structures piézoélectriques. Tout d'abord, la physique du matériau piézoélectrique a été intégrée à l'approche d'optimisation topologique SIMP (Solid Isotropic with Material Penalization). Ensuite, l'approche étendue a été implémentée sous la forme d'un code informatique MATLAB permettant de simplifier sa manipulation par des utilisateurs non-experts. Enfin, deux structures, un actionneur 1D et un positionneur 2D, ont été conçues au travers de cet outil puis réalisées. Les simulations numériques et les validations expérimentales ont montré un bon accord entre les structures optimisées et les prototypes réalisés démontrant ainsi l’intérêt et le potentiel de cet approch e d'optimisation.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03706855 , version 1 (28-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03706855 , version 1

Citer

Thomas Schlinquer. Contribution à l’optimisation topologique de structures piézoélectriques. Automatique / Robotique. Université Bourgogne Franche-Comté, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UBFCD069⟩. ⟨tel-03706855⟩
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