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Université du Québec à Chicoutimi
Module d’ingénierie
Ingénierie de l’Aluminium
Projet de conception en ingénierie (6GIN333)
Rapport final
#Projet : 2011-229
Conception d’un dispositif expérimental utilisé lors de vols paraboliques
Préparé par :
Keven Lavoie
Michael Bouchard
Pour :
Laszlo Kiss
GRIPS, UQAC
21 Avril 2011
CONSEILLER : Laszlo Kiss
CO-CONSEILLER : Lyne St-Georges
COORDONATEUR : Jacques Paradis
Remerciements
Nous tenons à remercier et à témoigner notre reconnaissance aux personnes citées ci-
dessous. Sans leur aide précieuse, la réalisation d’un projet d’une telle envergure aurait été
beaucoup plus difficile.
Monsieur Laszlo Kiss, professeur à l’UQAC, pour sa très grande connaissance dans tous
les domaines et sa grande disponibilité pour nos nombreuses réunions et discussions. Ainsi que
pour sa très grande confiance et son soutien pour que nous puissions dépasser nos standards.
Madame Lyne St-Georges, professeur à l’UQAC, pour sa grande disponibilité à répondre
à nos questions et sa grande connaissance en conception mécanique. Elle a su nous diriger dans le
bon sens à fin de produire un système efficace et nous éviter de faire certaines erreurs et de
perdre du temps.
Monsieur Jean-Marc Polis, directeur de KATIM qui fournira les profilés en aluminium
pour construire le support pour la réalisation du montage.
Résumé
Conception d’un dispositif expérimental utilisé lors de vols paraboliques
Problématique et objectifs Lors de l’électrolyse de l’aluminium des bulles gazeuses sont formées sous les anodes. Ces bulles
sont néfastes pour le procédé car elles créent une résistance additionnelle au courant utilisé pour produire
l’aluminium. Il est donc important de comprendre les conditions de détachement de ces bulles. Depuis
plusieurs années, différentes recherches sont effectués par le GRIPPS pour mieux comprendre ces
phénomènes. Pour avancer dans ces recherches, une étude en microgravité sur l’angle de détachement des
bulles sera effectuée lors de vols paraboliques (NOVESPACE).
Afin de réaliser ces expérimentations, un montage répondant aux normes de NOVESPACE, devait
être conçu et permettre :
-l’observation (par caméra) de l’angle de détachement de bulles d’air sur différentes surfaces
-l’inclinaison mesurable de la surface sur laquelle les bulles reposent
Travail effectué Pour répondre à cette demande le travail suivant a été effectué :
-La conception d’une chambre à bulles en aluminium machinée présentant deux faces
transparentes en LEXAN pour permettre l’observation des expérimentations.
-La conception d’une bague d’orientation machinée et activée par une vis sans fin et permettant la
lecture de l’angle du système.
-La conception d’un support de montage en profilés d’aluminium extrudés répondant aux normes
de NOVESPACE et permettant de fixer les différentes composantes du montage.
Conclusions Le montage réalisé permet de produire des bulles gazeuses sur une surface interchangeable.
L’observation de ces bulles peut se faire facilement à l’aide d’une caméra. De plus, le montage peut être
incliné à un angle connu maximal de 45°. Le support en profilés d’aluminium permet d’accueillir et de
fixer les différentes composantes du montage expérimental tout en respectant les normes établies par
NOVESPACE.
Michael Bouchard, Keven Lavoie
Sommaire I-Introduction ................................................................................................................................................ 8
II-Présentation du projet ............................................................................................................................... 8
II.1-Description de l’entreprise .................................................................................................................. 8
II.2-Description de l’équipe de travail ....................................................................................................... 9
II.3-Problématique et état de l’art reliés au projet ................................................................................... 9
II.4-Objectifs généraux et spécifiques du projet ..................................................................................... 10
III-Travail réalisé .......................................................................................................................................... 11
III.1-Chambre à bulles .............................................................................................................................. 11
III.1.1-Aspects techniques ................................................................................................................... 11
III.1.2-Méthodologie ............................................................................................................................ 11
III.1.3-Éléments de conception ............................................................................................................ 13
III.2-Couronne d’orientation ................................................................................................................... 20
III.2.1 Aspects techniques .................................................................................................................... 20
III.2.2-Méthodologie ............................................................................................................................ 21
III.2.3-Éléments de conception ............................................................................................................ 21
III.3-Support ............................................................................................................................................. 29
III.3.1-Aspects techniques ................................................................................................................... 29
III.3.2-Méthodologie ............................................................................................................................ 33
III.3.3-Éléments de conception ............................................................................................................ 34
III.4-Plans de conception ......................................................................................................................... 46
IV-Bilan des activités.................................................................................................................................... 46
IV.1-Arrimage formation pratique/universitaire ..................................................................................... 46
IV.2-Travail d’équipe ............................................................................................................................... 46
IV.3-Respect de l’échéancier ................................................................................................................... 48
IV.4-Analyses et discussions .................................................................................................................... 49
V-Conclusion et recommandations ............................................................................................................. 49
Références ................................................................................................................................................... 51
Annexe A-1 - Produits KATIM ...................................................................................................................... 52
Annexe A-2 – Profilés 45x45L ...................................................................................................................... 53
Annexe A-3 – Profilés 45x45H ..................................................................................................................... 54
Annexe A-4 – Écrou T .................................................................................................................................. 55
Annexe A-5 – Équerre esthétique ............................................................................................................... 56
Annexe B-1 - Chambre 1 .............................................................................................................................. 57
Annexe B-2 - Chambre 2 .............................................................................................................................. 58
Annexe B-3 - Chambre, trous ...................................................................................................................... 59
Annexe B-4 - Bloc ........................................................................................................................................ 60
Annexe B-5 - Séparateurs ............................................................................................................................ 61
Annexe B-6 - Couronne global ..................................................................................................................... 62
Annexe B-7 - Couronne ............................................................................................................................... 64
Annexe B-8 - Support de couronne ............................................................................................................. 65
Annexe B-9 - Extension support 1 ............................................................................................................... 66
Annexe B-10 - Extension support 2 ............................................................................................................. 67
Annexe B-11 - Arc denté .............................................................................................................................. 68
Annexe B-12 - Vis sans fin ........................................................................................................................... 69
Annexe B-13 - Arbre de rotation ................................................................................................................. 70
Annexe B-14 – Support 1 ............................................................................................................................. 71
Annexe B-15 – Support 2 ............................................................................................................................. 72
Annexe B-16 - Support 3 ............................................................................................................................. 73
Liste des figures
Figure 1 - Schéma des réactions anodiques1 ................................................................................................. 9
Figure 2 - Chambre à bulles ......................................................................................................................... 14
Figure 3 - Insertion de la micropipette ........................................................................................................ 15
Figure 4 - Tuyau de connexion et recharge de la micropipette .................................................................. 15
Figure 5 - Bloc d'insertion de la micropipette ............................................................................................. 16
Figure 6 - Surface interchangeable pour bulles........................................................................................... 16
Figure 7 - Tracé des déplacements .............................................................................................................. 17
Figure 8 - Tracé des contraintes de Von Mises ........................................................................................... 18
Figure 9 - Couronne d'orientation en acier mince Figure 10 - Couronne d'orientation sur mesure ...... 21
Figure 11 - Détermination du diamètre de couronne nécessaire ............................................................... 22
Figure 12 - Vis sans fin avec roue cylindrique ............................................................................................. 23
Figure 13 - Vis sans fin et engrennage......................................................................................................... 24
Figure 14 - Lecture d'orientation sur la couronne ...................................................................................... 25
Figure 15 - Lecture d'orientation sur le baril ............................................................................................... 25
Figure 16 - Système de positionnement de vis sans fin .............................................................................. 26
Figure 17 - Blocage bille-ressort .................................................................................................................. 26
Figure 18 - Couronne dentée ...................................................................................................................... 27
Figure 19 - Arc de couronne ........................................................................................................................ 27
Figure 20 - Vue section couronne à tôle mince commerciale ..................................................................... 29
Figure 21 - Schéma de support pour montage expérimental ..................................................................... 30
Figure 22 - Boulon à tête plane ................................................................................................................... 32
Figure 23 - Rondelle d'arrêt Figure 24 - Écrou de blocage en nylon ..................................................... 33
Figure 25 - Fixation de la plaque de base .................................................................................................... 33
Figure 26 - Déplacements, 9000N surface complète .................................................................................. 37
Figure 27 - Contraintes de Von Mises, 9000N surface complète ................................................................ 38
Figure 28 - Déplacements, 9000N haut-gauche .......................................................................................... 39
Figure 29 - Contraintes de Von Mises, 9000N haut-gauche ........................................................................ 39
Figure 30 - Déplacements, 9000N haut-droit .............................................................................................. 40
Figure 31 - Contraintes de Von Mises, 9000N haut-droit ........................................................................... 40
Liste des tableaux
Tableau 1- Forces admissibles (Boulons d'attache) .................................................................................... 30
Tableau 2 - Poids du montage ..................................................................................................................... 36
I-Introduction
Ce rapport porte sur la conception d'un dispositif expérimental utilisé lors de vols
paraboliques. Le dispositif expérimental doit répondre à certains besoins. Il est conçu pour
observer l'effet de la microgravité sur la morphologie des bulles gazeuses ainsi que l'angle de
détachement. Dans ce rapport la conception mécanique des composantes est réalisée. Les
composantes de prise de données ne sont pas traitées mais elles sont considérées pour certains
aspects du montage. D'abord, le projet est présenté avec une description de l'entreprise pour
laquelle il a été réalisé, une description de l'équipe de travail, les problématiques qui ont menées à
ce projet et les objectifs visés. Ensuite, les aspects techniques, méthodologie et éléments de
conceptions sont abordés pour les éléments suivants : chambre à bulles, bague d'orientation et
support de montage qui ont été réalisés pour répondre aux objectifs. Finalement, des conclusions
et recommandations face au projet ainsi que par rapport à son déroulement.
II-Présentation du projet
II.1-Description de l’entreprise
Le projet de conception est destiné au groupe de recherche en ingénierie des procédées et
systèmes (GRIPS). Le domaine d’activité principale du GRIPS englobe les procédés thermiques
industriels, principalement dans les secteurs de l’aluminium et l’énergétique. Ce groupe utilise
des méthodes de modélisation et des techniques expérimentales à la fine pointe de la technologie.
Les travaux sont reliés de près à l’industrie pour les disciplines telles que la métallurgie, la
mécanique et la chimie.
II.2-Description de l’équipe de travail
L’équipe de travail est composé de 2 étudiants au baccalauréat en Ingénierie de
l’aluminium ; Michael Bouchard et Keven Lavoie sous la supervision du coordonnateur du
GRIPS, Monsieur Laszlo Kiss et de Madame Lyne St-Georges, tous deux professeurs à
l’Université du Québec à Chicoutimi.
II.3-Problématique et état de l’art reliés au projet
Lors de l’électrolyse de l’aluminium, des bulles de gaz sont générées sous une surface
légèrement inclinée ou arrondie. Les bulles étant stationnaires ou se déplaçant lentement créent
une résistance additionnelle pour le passage du courant. Cela a pour effet d’augmenter la
consommation d’énergie nécessaire pour le fonctionnement des cellules d’électrolyse. La
morphologie des bulles est un aspect important de l’étude de ce phénomène. La forme est
influencée par la tension superficielle ainsi que par la gravité. Pour arriver à mieux comprendre
ces mécanismes une étude lors de vols paraboliques (Novespace) engendrant la microgravité sera
produite pour évaluer le comportement des bulles et leur angle de détachement.
Figure 1 - Schéma des réactions anodiques1
II.4-Objectifs généraux et spécifiques du projet
Voici les différents objectifs du projet :
-Conception d’un montage répondant aux normes de Novespace.
-Conception d’un système d’observation permettant de produire des bulles d’air dans un
environnement liquide sur une surface interchangeable.
-Conception d’un dispositif permettant d’incliner le système.
-Réalisation de dessins de fabrication.
Les objectifs sont demeurés les mêmes depuis le début du projet, par contre ils sont mieux
définis et limités qu’ils étaient au début du projet en raison de rencontres et de meilleure
compréhension du produit désiré.
III-Travail réalisé
III.1-Chambre à bulles
III.1.1-Aspects techniques
Pour respecter les normes de NOVESPACE, la chambre à bulles doit être conçue de façon
à répondre aux critères suivants:
-Tout contenant avec un liquide dépassant 500ml et/ou étant autre que l'eau doit
posséder deux systèmes hermétiques.
-Tout dispositif expérimental ne peut être conçu de verre, seul le polycarbonate est
accepté.
-Le dispositif doit résister à une chute de pression de 20kPa.
Pour respecter les besoins de l'expérimentation, la chambre à bulles doit être conçue de
façon à répondre aux critères suivants :
-Permettre la création de bulles gazeuses ainsi que l'observation de celles-ci.
-Être un système fermé.
-Possibilité de changer la surface de contact des bulles facilement.
-Permettre la connexion de capteurs de pression et de température.
III.1.2-Méthodologie
-Définir la méthode de production de bulles.
-Conception d'un dispositif rigide permettant la production de bulles sur une surface tout
en étant un système fermé.
-Déterminer la résistance du dispositif aux variations de pression à laquelle il peut être
soumis.
III.1.3-Éléments de conception
Pour répondre aux besoins, différentes solutions ont été apportées par rapport à la création
de bulles. Entre autres, l'utilisation d'une seringue muni d'un pousse-seringue. Finalement, une
micropipette auto-recharchable est sélectionnée, elle permet un système fermé.
Pour que les bulles soient observées lors des expérimentations, l'utilisation de parois
transparentes est nécessaire. Des parois en LEXAN sont rigides en plus d'avoir la possibilité
d'être transparentes.
Afin d'avoir un système qui est fermé lors des expérimentations, un dispositif rigide est
primordial, étant donné les besoins et la géométrie qui en découle une chambre à bulles
d'aluminium machinée est une bonne solution. Sur deux faces parallèles, des parois de LEXAN
1/8'' sont boulonnées à l’aide de boulons ¼’’ sur le cadre de la chambre et munis de joints
d'étanchéité en caoutchouc de 2mm d'épaisseur.
Figure 2 - Chambre à bulles
L'aiguille de la micropipette est insérée dans le trou du bloc et scellée à l'aide d'un canal
en silicone. Le tuyau de chargement de la micropipette sera connecté à l'aide d'un collet sur un
tuyau en aluminium connectant les deux côtés de la chambre pour permettre l'équilibre du
système fermé.
Figure 3 - Insertion de la micropipette
Figure 4 - Tuyau de connexion et recharge de la micropipette
Le bloc recevant l'aiguille de la micropipette est boulonné sur le cadre de la boîte et munis
d'un joint d'étanchéité. Les boulons ¼’’ sont vissés et collés sur la boîte.
Figure 5 - Bloc d'insertion de la micropipette
Aux quatre coins du bloc, différentes surfaces préparées peuvent être vissées.
Figure 6 - Surface interchangeable pour bulles
III.1.3.1-Modélisation
Une analyse à l’aide de SOLIDWORKS a été réalisée sur une paroi de LEXAN
pour vérifier les déplacements de la paroi. Les paramètres suivants ont été utilisés :
-Contact global sans pénétration
-Connexion à l’aide de boulons
-Une géométrie fixe sur la face opposée à la paroi
-Une pression de 20kPa appliquée sur toute la surface du LEXAN
Les déplacements suivants ont été obtenus :
Figure 7 - Tracé des déplacements
On peut constater que les déplacements ne sont pas énormes à l’intérieur du
système. Le déplacement maximal se retrouve sur les coins qui ne seront pas soumis à une
variation de pression.
Figure 8 - Tracé des contraintes de Von Mises
On peut voir que les contraintes générées par la pression ne dépassent pas 10MPa,
de plus la concentration de contrainte survient à un endroit où réellement aucune pression
ne sera appliquée.
Pour réaliser cette pièce, étant donné les contraintes mineures auxquelles elle est
soumise, un alliage de corroyage doit être sélectionné en raison du besoin de mise en
forme par enlèvement de matière. Un alliage de série 3000 est suggéré car cette série est
utilisée pour les produits d’emballage, un tel alliage n’interférera pas avec l’eau distillée
utilisée lors des expérimentations.
III.1.3.2-Calculs
Les 2 plaques de LEXAN boulonnées seront appuyées sur un joint d’étanchéité en
caoutchouc de 2mm d’épaisseur.
Caoutchouc
Module d’élasticité : 6,1 MPa
Déformation visée (ε) : 0,25
Aire d’un joint : 0,02571m2
σ = ε*E
σ = 0,25*6100000
σ = 152,5kPa
F = σ*A*2
F = 152500*0,02571m2*2
F = 7842,804 N
Effet de la pression
Aire d’une surface : 0,01143m2
ΔP = 20 kPa
F = ΔP *A*2
F = 20kPa*0,01143m2*2
F = 457,32 N
Pré-serrage des boulons
Boulons UNC ¼ - 20
Diamètre nominal : 0,25 pouce
Surface de tension : 0,0318po2
40 boulons
Fa = Ft/nb attache
Fa = 7842,804N/40
Fa = 196N
Couple de serrage
T=0,2*Fa*d
T=0,2*196N*6,35mm
T=248,92N*mm
III.2-Couronne d’orientation
III.2.1 Aspects techniques
Pour l’expérimentation, la couronne d’orientation doit respecter les contraintes
suivantes :
-Être assez grande de façon à contenir la chambre à bulles et de permettre la
manipulation de la micropipette.
- Avoir une bonne précision et permettre la lecture de l’angle de la chambre à bulles.
-Être facile de manipulation et permettre de changer l’angle de la chambre rapidement.
-Permettre une rotation de 0 à 45 degrés de la chambre à bulles.
-Supporter la chambre à bulle, la micropipette et les ajouts futurs.
-Avoir un poids et un prix minimum.
-Avoir le moins de frottement possible.
III.2.2-Méthodologie
-Déterminer le diamètre intérieur de la couronne.
-Déterminer un dispositif qui permet la rotation de la couronne.
-Déterminer une méthode pour obtenir un angle précis et connaître sa grandeur.
-Déterminer une méthode pour changer l’angle rapidement
-Déterminer le meilleur choix par rapport au prix, au frottement et au poids.
III.2.3-Éléments de conception
Deux solutions ont été explorées, la première est de dessiner une couronne d’orientation
sur mesure pour ensuite la faire construire en aluminium, la deuxième est d’acheter une couronne
d’orientation en acier mince.
Figure 9 - Couronne d'orientation en acier mince Figure 10 - Couronne d'orientation sur mesure
Pour déterminer le rayon intérieur de la couronne, il faut en premier lieu avoir les
dimensions finales de la chambre qui sont de 212.73 mm pour la base par 285,75 mm pour la
hauteur. La micropipette dépasse d’environ 20mm et il faut un jeu de 50 mm pour pouvoir bien la
manipuler. Avec ces dimensions, il fut facile de déterminer le diamètre de la roue avec
SOLIDWORKS. Premièrement, une construction grossière de la boîte est effectuée avec la
micropipette et le dégagement nécessaire, ensuite une construction d’un cercle passant par le
support sous la chambre avec un dégagement de 70 mm.
Figure 11 - Détermination du diamètre de couronne nécessaire
De cette façon, on obtient un diamètre intérieur qui doit être supérieur à 394.21, alors un
diamètre de 400 mm est l’idéal pour minimiser l’espace occupé par la couronne.
Afin d’avoir une rotation précise, un système de vis sans fin pour roue cylindrique sera
ajouté au dessus de la couronne et agira sur une section dentée fixée sur la partie supérieure de la
couronne.
Figure 12 - Vis sans fin avec roue cylindrique
Pour les dimensions de vis sans fin disponibles sur le marché, le nombre de degrés par
tour de vis est limité. Cependant, il est possible de jouer sur le rayon de l’arc denté pour obtenir
une rotation en nombre entier. Advenant le choix d’une ou l’autre solution le même arc denté sera
utilisé indépendamment de l’option choisie même si le diamètre extérieur des options est 470 et
500mm. Un diamètre d’arc denté de 538.627mm est nécessaire pour une vis sans fin de 1 pouce
de diamètre avec un pas de 3/8 de pouce. Un tour complet de vis sans fin correspond à 2 degrés.
Un degré par tour de vis n’est pas un choix logique, la dimension des dents sera trop petite, ce qui
provoquera une usure prématurée des dents. C’est pourquoi le pas de la vis correspond à 2
degrés.
La distance entre l’arc d’engrenage et la vis est égal à la hauteur d’une dent multipliée par
20% pour permettre un certain dégagement. Il faut 0.36 mm d’espace entre les dents au contact.
Sur la figure suivante, le jeu entre la vis et la couronne est illustré. Avec cette dimension,
l’endroit de l’axe de rotation de la vis sans fin est déterminé pour la connexion au support de
couronne.
Figure 13 - Vis sans fin et engrennage
La distance avec la base et le centre de l’axe est de 567.51mm. Cette distance doit être très
précise, pour obtenir un bon fonctionnement de la roue.
Pour déterminer l’angle de rotation exact, une gravure pour chaque degré est effectuée
avec une numérotation par tranche de 5 degrés sur l’extérieur de la couronne. De plus, une
précision supplémentaire est ajoutée au baril, avec des gravures de 1/5 de degré, autrement dit, il
y a 10 gravures sur le baril.
Figure 14 - Lecture d'orientation sur la couronne
Figure 15 - Lecture d'orientation sur le baril
Lors des pauses entre les vols paraboliques lors d’expérimentation, il est important de
pouvoir manipuler rapidement la roue, c’est pourquoi un système pour lever la vis sans fin et
tourner à la main la couronne est mis en place. Ce système permet d’effectuer de grand
changement d’angle à des moments critiques. Pour que le système reste en place, lorsque la vis
fonctionne, une penture est apposée sur un montant du support et une bille pression sur l’autre
coté du montant.
Figure 16 - Système de positionnement de vis sans fin
Figure 17 - Blocage bille-ressort
Pour permettre une rotation complète de 45 degré, un arc de seulement 70 degré
est nécessaire dans les 2 cas, cela réduit la rotation à seulement un sens mais la chambre à bulle
est conçue à cet effet. L’arc denté peut être placé différemment sur la couronne à l’aide de trous
déjà percés.
Figure 18 - Couronne dentée
Figure 19 - Arc de couronne
Le poids de la couronne a été minimisé, c’est pourquoi la solution de la couronne déjà
construite présente plusieurs avantages, par son poids et son prix. Le matériel requis pour
construire et le temps d’un machiniste dépasse de loin le prix de la couronne déjà construite.
Pour ce qui est du frottement, il est réglé par l’ajout de morceaux de téflon sur la couronne
fabriqué, mais il reste le frottement sur les parois externes de la couronne avec le support. Tandis
que la couronne déjà construite ne possède pas de frottement sur les surfaces externes et car elle
est montée sur un roulement à billes.
Alternative : Couronne en tôle mince commerciale montée sur roulement à billes.
Figure 20 - Vue section couronne à tôle mince commerciale
III.3-Support
III.3.1-Aspects techniques
Il est très important que le support englobant le montage réponde aux normes de
NOVESPACE. C’est sur ce même support que toutes les composantes expérimentales sont
fixées. D’abord, le support doit être fixé à une plaque d’aluminium de 10mm d’épaisseur qui sera
fixée au plancher de l’avion. Des trous de 12mm de diamètre doivent être percés à la base de la
plaque selon les spécifications suivantes :
-La base sera fixée au planché de l’avion à l’aide de boulons M10X1.25
-La distance maximale du bord d’un trou au bord de la plaque est de 30mm, la distance
minimale est de 18mm.
-Les trous doivent êtres assez dégagés pour permettre la fixation à l’aide de rondelles de
25mm de diamètre.
-La distance entre le centre des trous (sur l’axe référentiel Y) doit être de 503mm ou
1006mm.
-La distance entre le centre des trous (sur l’axe référentiel X) doit être un multiple de
25,4mm et plus grande que 508mm.
-La masse allouée (RL) sur les attaches du rail de fixation est RL≤67000/H pour une
distance entre 2 trous de plus de 20 pouces suivant l’axe référentiel X, où H est la hauteur
du montage. La masse est calculée sur un mètre.
Figure 21 - Schéma de support pour montage expérimental
Les boulons doivent résister aux forces suivantes (une marge de 50% doit être prise en
compte dans le cas d’un atterrissage forcé) :
Tableau 1- Forces admissibles (Boulons d'attache)
Cisaillement Fs max = 34,800 N
Traction Ft max =58,000 N
-La force de cisaillement dans chaque boulon doit être :
où, Fs : Force en cisaillement
g : Accélération gravitationnelle
M : Masse de l’assemblage global
: Nombre d’attaches au planché de l’avion
Le facteur de sécurité (SF) doit être supérieur à 1.5 :
-La force de traction dans chaque boulon doit être :
où, Ft : Force de traction
H : Hauteur du centre de gravité
D : Distance entre 2 attaches selon l’axe référentiel X
Nrear att : Nombres d’attaches à l’extrémité de l’axe référentiel –X
Le facteur de sécurité (SF) doit être supérieur à 1.5 :
Le support doit répondre aux exigences suivantes (il est fortement conseillé qu’il soit
conçu en profilés d’aluminium joints à l’aide de connecteurs conçus à cet effet.) :
-Les profilés en aluminium ne doivent pas être joints à l’aide de soudures, sauf si elles
sont réalisées par un soudeur qualifié qui possède un certificat anglais.
-Tous les boulons et vis destinés à la fixation du support doivent avoir une classe de force
8-8 au minimum.
-Les équerres de fixations doivent être surdimensionnées suivant l’axe référentiel X, par
exemple pour des profilés en aluminium 45X45mm les équerres doivent avoir des
dimensions de 90X90mm.
-Le support doit être fixé à la plaque de base à l’aide d’équerres destinées à cet effet, un
minimum de 4 équerres doit être fixé sur chacun des axes référentiels X et Y.
-La fixation du support (ou tout autre équipement) à la plaque de base doit être faite avec
des boulons à tête plane et ceux-ci doivent être encastrés dans la plaque, la plaque ne doit
pas être filetée.
Figure 22 - Boulon à tête plane
-Le boulon doit être boulonné à l’aide d’un écrou à blocage en nylon ou une rondelle
d’arrêt.
Figure 23 - Rondelle d'arrêt Figure 24 - Écrou de blocage en nylon
Figure 25 - Fixation de la plaque de base
III.3.2-Méthodologie
-Délimiter les dimensions nécessaires afin d'offrir l'espace requis pour le bon déroulement
des expérimentations.
-Déterminer les dimensions de la plaque de base permettant de recevoir le support avec
les dimensions requises tout en respectant les normes de NOVESPACE.
-Sélectionner le type de profilé en aluminium et ses accessoires de jonction permettant de
répondre aux exigences de NOVESPACE.
-Trouver le poids du montage global pour ensuite pouvoir calculer les forces en présence.
-Effectuer des analyses par éléments finis pour valider la sélection des profilés et
composants.
-Effectuer les calculs permettant de valider les fixations au plancher de l'avion.
III.3.3-Éléments de conception
Dans le but de permettre le bon déroulement des expérimentations et de recevoir tous les
équipements les dimensions intérieures suivantes ont été jugées nécessaires :
-Hauteur : 800mm
-Largeur : 465mm
-Longueur : 1100mm
Des profilés en aluminium 45X45H de l'industrie KATIM ont été sélectionnés pour la
conception du support. Les équerres de fixations et accessoires ont étés sélectionné au même
endroit. (Voir Annexe A)
Le support est fixé à la base à l’aide d’équerres prévues à cet effet : 6 sur l’axe référentiel
X et 4 sur l’axe Y.
Selon les dimensions sélectionnées ainsi que le type de profilés une plaque de
1342mmX575mmX10mm est nécessaire pour produire la base du montage global.
Le poids du montage global est déterminé par
Tableau 2 - Poids du montage
Poids total :30.698
Structure
Équipements
Ground Fault Relay 1 0.25
Autres
Bouton d'urgence 1 0.3
Barre d'alimentation 1 0.91
Halogène 1 0.3
Transformateur 220-110V 1 5.783
Ordinateur portable 1 1.9
Système d'acquisition 1 1.8
Vis sans fin 1 0.465
Bague d'orientation
Bague 1 5.4
Couronne 2.42
0.15Boulons et accessoires
Film de diffusion de lumière 1 32900mm2 0.005
Base 1 2.75
Capteur de température 1 0.08
Caméra 1 0.72
0.067
Capteur de pression 2 0.35
Phidget 1
1
Tablette aluminium
13977
10x1342x575
5x440x465
Chambre à bulles
Quantité Dimensions (mm) Poids (kg)
Profilés aluminium (45X45)
Base aluminium
1
1
1
30
4
30.19
20.8
2.762
5.61
0.032
Lexan 1/8'' 2 32900mm2 0.25
Connecteurs de profilés
Attachements à la base
59.394Poids total :
Quantité Dimensions (mm) Poids (kg)
Aluminium (A356) 1 4.059
Tuyau aluminium 1 0.2
1
25786mm2x2mmJoint d'étanchéité
Boulons
Plaque de support
2
30
Micropipette 1 0.098
Support micropipette
0.051
0.27
1.92
0.2
III.3.3.1-Modélisation
Des analyses par éléments finis avec des profilés en aluminium et des connections
ont été tentés mais ne sont pas possibles à l’aide de SOLIDWORKS en raison de la
géométrie trop complexe des profilés versus les dimensions du support.
Des analyses ont été réussies avec quelques modifications des sections. Une
section carrée et vide au centre avec la même inertie et la même aire de section que le
profilé KATIM 45X45H. Voici les résultats :
D’abord une force de 9000N équivalente au poids du montage multiplié par
l’accélération de 9g à laquelle le montage doit résister a été placé sur toutes les faces d’un
côté du montage. Les connections sont solidaires afin d’évaluer les déplacements et
contraintes dans les profilés seulement.
Figure 26 - Déplacements, 9000N surface complète
On peut constater que les déplacements sont autour de 2mm sur les sections les plus
hautes du support.
Figure 27 - Contraintes de Von Mises, 9000N surface complète
Les contraintes ressenties ne sont pas très élevées et se situent dans les sections
transversales.
Pour augmenter le facteur de sécurité et aussi parce que le centre de masse du montage
n’est pas connu et sera déterminé physiquement, la force de 9000N a été appliquée au point le
plus haut du support. De plus, la force a été appliquée de part et d’autre pour évaluer si un sens
devait être favorisé dans l’avion.
Figure 28 - Déplacements, 9000N haut-gauche
Les déplacements sont près de 4mm car la section en rouge subit des déformations
excessive en raison de l’application de la force.
Figure 29 - Contraintes de Von Mises, 9000N haut-gauche
On constate que les plus grandes contraintes se situent au niveau des sections
transversales mais ne sont pas vraiment élevées (de l’ordre de 60 MPa).
Figure 30 - Déplacements, 9000N haut-droit
Figure 31 - Contraintes de Von Mises, 9000N haut-droit
Le sens du montage n’a pas d’effets marqués sur le support, ce facteur n’est donc pas à
considérer.
Des essais mécaniques devraient être réalisés pour les profilés en aluminium KATIM
45X45H et 45X45L. Si les résultats sont satisfaisant pour les deux modèles, le modèle 45X45L
sera préféré en raison de son poids et de son coût inférieur. Le poids du profilé 45X45L est de
1,5kg/m comparativement au profilé 45X45H qui est de 2,16kg/m.
La force appliquée sur le support devrait être égale à 9g multipliée par le poids du
montage. Il est suggéré de l’appliquer au point le plus haut du support pour ajouter au facteur de
sécurité et répondre aux normes de NOVESPACE. De plus, il sera possible d’évaluer les sections
mais aussi les équerres de fixation pour avoir des résultats plus représentatifs.
Avec tous les éléments du montage il sera facile de trouver le centre de masse du montage
III.3.3.2-Calculs
Masse du montage global
MR = MÉquipements+MStructure
MR = 59,394kg+30,698kg
MR = 90,092kg
*La masse de la structure est calculée avec les profilés en aluminium 45X45H qui
sont les plus lourds.
Afin d’ajouter à la sécurité du montage et aux modifications qui pourrait survenir
une marge additionnelle de 10% est ajoutée au poids calculé.
M = MR*1.10
M =99,101kg
Vérification structurale
-Masse à un point d’attache
Matt= 24,775kg
-Masse allouée par mètre
RL≤67000/H
RL≤67000/840
RL≤79,76kg
Étant donné que les trous sont espacés de plus d’un mètre, RL est inférieur à
79,76kg en tout point.
-Sous une accélération de 9g dans l’axe référentiel X, le montage expérimental est
soumis à la force suivante :
F = 9g × M
F = 9g*99,101kg
F = 8750 N
-Force en cisaillement résultante aux attaches
FS = 8750 N/4
FS = 2187,5 N
-Facteur de sécurité en cisaillement
SF = 34800N/2187,5N
SF = 15,9 > 1,5
-Force en traction résultante aux attaches
Ft = 2894N+28300N
Ft = 31194N
-Facteur de sécurité en traction
SF = 58000N/31194N
SF = 1,86 > 1,5
III.4-Plans de conception
Tous les plans de conception du montage pour la chambre à bulles, la couronne
d’orientation et le support sont disponibles en Annexe B.
IV-Bilan des activités
IV.1-Arrimage formation pratique/universitaire
La formation obtenue lors du cours de Conception assistée par ordinateur, a été très utile
dans l’utilisation de SOLIDWORKS pour effectuer la conception des pièces. Des connaissances
acquises lors de cours comme : Mécanique pour Ingénieur, Résistance des matériaux et Procédés
d’assemblages ont aussi été très utiles.
Le manque de formation du Baccalauréat d’Ingénierie de l’aluminium en Éléments de
machine a corsé notre travail en ce qui attrait à la conception d’une vis sans fin et engrenages. Par
contre, la réalisation d’un projet comme celui-ci permet d’élargir les connaissances et
compétences dans plusieurs domaines en raison du contact direct avec des conseillés qui
permettent l’enrichissement.
IV.2-Travail d’équipe
Nous étions une équipe de deux étudiants pour réaliser ce projet, appuyé par un conseillé
(M. Laszlo Kiss) et une co-conseillère (Mme Lyne St-Georges). Des rencontres à chaque semaine
ont été réalisées. La durée des rencontres était d’environ une heure. Tout s’est bien déroulé lors
de ces rencontres et la manière de travailler était saine et enrichissante. Nous n’avons rencontré
aucun problème interpersonnel entre les membres de l’équipe de travail. Les rencontres se
déroulaient sous forme de discussions pour résoudre les problèmes rencontrés.
IV.3-Respect de l’échéancier
Voici l’échéancier initial du projet :
12
34
56
78
910
11
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
10-14
janv.
17-21
janv.
24-28
janv.
31-04
fév.
07-11
fév.
14-18
fév.
21-25
fév.
28-04
mars
07-11
mars
14-18
mars
21-25
mars
28-01
avril
04-08
avril
11-15
avril
18-22
avril
25-29
avril
Échéancier du projet
Présentation du plan de cours
GP - Introduction à la gestion de projet -
Formulaire Charte de projet (2 h)
Préparation et remise du plan de projet
Session de réalisation :
Conseiller :
HIV-2011
Laszlo Kiss, Lyne St-Georges
Semaine
T4 - Conception des plans de fabrication
Préparation et remise du rapport final
Préparation et remise du rapport d'étape
T3 - Conception d'un montage global
répondant aux normes de Novespace
Conception d'un dispositif expérimental utilisé durant un vol parabolique
Laszlo Kiss
Lecture et résumé des exigences de
Novespace
Recherche de solutions et étude de
faisabilité des différentes solutions
T1 - Conception d'un système de production
de bulles d'air
T2 - Conception d'un dispositif permettant la
rotation du système
Titre :
Client :
L’échéancier a été respecté dans son ensemble, cependant les parties de calculs pour les
éléments de conception ont étés étirés jusqu’à la fin du projet pour les 3 éléments.
IV.4-Analyses et discussions
Les solutions amenées pour répondre aux objectifs ont été très satisfaisantes, nous avons
exploré plusieurs possibilités avant d'effectuer un choix final. Cependant, le temps alloué pour
trouver les solutions finales aurait pu être plus court pour favoriser des études plus approfondies
sur les choix qui ont été fait. Les résultats obtenus sont satisfaisants car les buts qui avaient été
fixés ont été atteints. La plupart des éléments ont été conçus sur mesure pour augmenter le
rendement de l'expérimentation. Nous avons réalisé la conception dans l'optique du rendement et
de la facilité d'utilisation. Par contre, l'aspect de coûts aurait du être mieux considéré. Lors de
toutes les étapes du processus de conception nous avons gardé en tête les normes qui devaient
être respectées pour permettre au montage d'être utilisé lors de vols paraboliques. Bien que les
calculs soient satisfaisants pour répondre à ces normes, plus de calculs et d'analyses auraient pu
être faites pour les différents éléments.
V-Conclusion et recommandations
Nous recommandons d’effectuer des essais mécaniques sur le support avec les deux types
de profilés disponibles, le profilé le plus léger sera favorisé s’il répond aux normes de
NOVESPACE. Des essais mécaniques sur les équerres devront aussi être effectués. Pour la
chambre à bulle, des essais de pression devront être effectués sur celle-ci pour assurer son
herméticité lors de variation de pression. Il sera aussi nécessaire d’identifier le choix le moins
coûteux pour la couronne d’orientation.
Les objectifs initiaux sont demeurés les mêmes tout au long du projet, le travail demandé
a été clair et précis dès les premières semaines du projet. Les objectifs principaux étaient
d'effectuer la conception d'un dispositif capable de produire des bulles sur une surface
interchangeable, inclinable et observable tout en répondant aux normes de NOVESPACE. Le
dispositif qui a été conçu en grande partie sur mesure pour l'expérimentation rejoint les objectifs
visés. De plus, il a été conçu pour recueillir plusieurs données nécessaires pout l'analyse de
l'expérimentation.
Références
Poncsak, Sandor. Formation et évolution des bulles de gaz au-dessous de l’anode dans une cuve
d’électrolyse d’aluminium. Th D , Septembre 2000.
KATIM, Catalogue, http://www.katim.biz/download/catalogue_katim.pdf.
NOVESPACE, NOVESPACE A300 ZERO-G RULES AND GUIDELINES, 2009.
Annexe A-1 - Produits KATIM
Annexe A-2 – Profilés 45x45L
Annexe A-3 – Profilés 45x45H
Annexe A-4 – Écrou T
Annexe A-5 – Équerre esthétique
Annexe B-1 - Chambre 1
Annexe B-2 - Chambre 2
Annexe B-3 - Chambre, trous
Annexe B-4 - Bloc
Annexe B-5 - Séparateurs
Annexe B-6 - Couronne global
Annexe B-7 - Couronne
Annexe B-8 - Support de couronne
Annexe B-9 - Extension support 1
Annexe B-10 - Extension support 2
Annexe B-11 - Arc denté
Annexe B-12 - Vis sans fin
Annexe B-13 - Arbre de rotation
Annexe B-14 – Support 1
Annexe B-15 – Support 2
Annexe B-16 - Support 3