Ailes battantes déformables inspirées de l'insecte et rigidifiées par un réseau de plis - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Deformable insect-inspired flapping wings and stiffened by a network of folds

Ailes battantes déformables inspirées de l'insecte et rigidifiées par un réseau de plis

Résumé

Flexible artificial wings have been shown to be more efficient than rigid wings in propelling an insect or a bioinspired drone. In nature, insect wings are composed of a soft membrane supported by a network of veins. The combination of these different elements confers to the wing an anisotropic rigidity. The configuration of the vein network plays a dominant role in the deformation of the wing and in the generation of aerodynamic forces. Several insect species, especially neuropterans, have wings stiffened mainly by two veins: one constituting the leading edge, and another one oriented about twenty degrees from the leading edge, towards the trailing edge. To improve the propulsion efficiency, it is possible to reduce the mass of the wings. To this end, we propose in this thesis to replace the network of veins by a network of folds. The folds have the advantage of locally stiffening a structure without increasing the amount of material used. In order to study homogeneous anisotropic wings, we are interested in the stiffening by folds of a flexible wing-shaped membrane. The first step is to characterize the mechanical behavior in bending of a folded strip, modeling a simple fold. The more acute the fold angle, the stiffer the strip. The experiments carried out have highlighted a bending asymmetry of the strip. When the bending is in the direction of the fold, the faces buckle and the strip twists. When the bending is in the opposite direction to the fold, the opening of the fold allows the structure to bend. In the second case, where the bending is negative, we provide a theoretical explanation for the observed behavior using a beam model coupled with a crease opening model. The dynamic behavior of the bent tape is then studied. Vibration experiments show a nonlinear softening behavior of the structure for small oscillation amplitudes. We explain this behavior by the opening of the fold in negative bending, and by a buckling of the faces in positive bending. Finally, a research and an understanding of the optimal configuration of the folds network are carried out using a wing model composed of a flexible membrane and two veins. We experimentally observe an optimum aerodynamic force generation for an angle between the veins of twenty degrees. We propose a kinematic modeling of the wing using a vibrating beam model to estimate the propulsion forces.
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.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03847709 , version 1 (10-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03847709 , version 1

Citer

Roméo Antier. Ailes battantes déformables inspirées de l'insecte et rigidifiées par un réseau de plis. Physique [physics]. Université Paris Cité, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UNIP7138⟩. ⟨tel-03847709⟩
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