AER1110 – PROJET INITIAL EN GÉNIE AÉROSPATIAL GROUPE 01 Étude de cas n°3 Soufflerie artisanale Présenté à monsieur Patrice Remy et à monsieur Jean-Paul Lemarquis Équipe 5 Simon Duchesne (1688714) Soufiane El Ouartassi (1666596) Lyssa Guilbault (1695767) David Jobin (1690648) Samuel Messier (1696814) Hanna Terranova (1667463) Benoît Tessier (1685428) Le 07 avril 2014 à Montréal II 5 e p ui q É | 3 s a c e d e d u t É RRRRééééssssuuuummmméééé Dans le cadre du projet initial en génie aérospatial, nous avons comme mandat de construire une soufflerie à travers un processus et des étapes bien définies. Dans une première étude de cas, nous avons étudié les besoins des clients potentiels ce qui a constitué une ébauche pour la seconde étude de cas qui consistait à concevoir le système de mesure de la portance. Enfin cette troisième et dernière étude de cas retrace l’évolution de la fabrication de la soufflerie. Pour cette dernière partie, les équipes de génération de flux d’air, de maintien structurel et de mesure de portance se sont réunies pour créer le produit final destiné à l’apprentissage dans les écoles secondaires. Plusieurs ajustements ont été nécessaires pour pouvoir unir les ingénieux concepts de chacune des équipes. Par ailleurs, l’objectif de la création finale étant l’intégration des trois systèmes en un seul, la soufflerie devra produire un maximum de portance tout en minimisant le poids et en proposant un flux d’air intéressant. Plusieurs pièces furent nécessaires à la conception du système de mesure : • Le support en Y • Le balancier • 3 profils d’aile différents • Le sous-système d’attache pour les différents profils À cela s’ajoute une balance qui constitue l’unique instrument de mesure de la soufflerie. De plus, notre équipe était en charge de concevoir la veine d’essai puisque dans le cas du support en Y, des ajustements étaient nécessaires pour l’insertion de l’aile dans la veine d’essai. Dans le but de ne pas obstruer la vue lors des expérimentations, la plaque d’acrylique composant la veine d’essai a été pliée. Pour résumer, tous ces éléments ont été le fil conducteur dans nos étapes de fabrication et sont présentés dans cette troisième étude de cas. Mots-clés : compagnies, Support en Y, profil d’aile, veine d’essai, pliage d’acrylique, matériaux, fabrication. II AAAAbbbbssssttttrrrraaaacccctttt The third case study focuses on the planning, design and construction of the wind tunnel. In order to do that, students were grouped in companies made up of 3 teams: one focusing on the air flow, one on the structure and one on the lift measuring system. These companies had one goal: building a wind tunnel that produces the highest lift, has the fastest air flow and is the lightest out of all the tunnels. Planning and design First of all, the concept explained in the third case study was adjusted to the other teams’ requirements and given preliminary dimensions and materials. Using these, multiple stress studies were done to optimise those dimensions and make sure the system didn’t break during use. Building the lift measuring system The system’s construction was split in 4 parts: • Y-shaped support • Fulcrum • 3 airfoils • joint between the airfoils and the support These components were built using wood, steel, aluminium, and polystyrene foam. On top of that, the team had to build the testing area of the tunnel since the measuring system required a specific design in order to install the airfoil on its support. This was done with a single acrylic plate. This concludes the project. The only step remaining before the product’s delivery is 5 e testing the wind tunnel under various conditions. This should confirm the analyses uip q É and verify that the product is working and meets the client’s needs. | 3 s ca e d e Keywords: company, y-shaped support, construction, airfoil d u t É III TTTTaaaabbbblllleeee ddddeeeessss mmmmaaaattttiiiièèèèrrrreeeessss RÉSUMÉ .................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................ II LISTE DES TABLEAUX .................................................................................. V INTRODUCTION .......................................................................................... 1 CHAPITRE 1 : SOMMAIRE DES REQUIS CONCEPTUELS ET TECHNIQUES ............. 2 1.1 DESCRIPTION, DONNÉES ET RESTRICTIONS ....................................................... 2 1.2 SUPPOSITIONS, HYPOTHÈSES DE DÉPART ET INTERPRÉTATION .................................... 3 1.3 RÉFÉRENCE ...................................................................................... 4 CHAPITRE 2 : ANALYSE DES EFFORTS EXTERNES .......................................... 6 2.1 SUPPOSITIONS NOUVELLES OU AJUSTÉES ET JUSTIFICATIONS ..................................... 6 2.2 DESCRIPTION DES CHARGES ET DIAGRAMME DES CORPS LIBRES .................................. 7 2.3 FORMULATION, GRAPHIQUES, RÉSULTATS ANTICIPÉS ET INTERPRÉTATION ......................... 8 2.4SIMULATION D’UN GLOBAL 5000 ................................................................. 10 2.5 FICHES ET RÉFÉRENCES ........................................................................ 12 CHAPITRE 3 : ANALYSE DES EFFORTS INTERNES .......................................... 13 3.1 DESCRIPTION DES SYSTÈMES ET SCHÉMAS ..................................................... 13 3.2 CONFIGURATION DES SECTIONS CRITIQUES ET DIAGRAMME DES CORPS LIBRES ................. 15 3.3 FICHE, FORMULATION, GRAPHIQUES, INTERPRÉTATIONS ET VALIDATION ......................... 16 CHAPITRE 4 : RÉALISATION – SOUS-SYSTÈME ET COMPOSANTS .................... 17 4.1 CALCULS, CHOIX ET JUSTIFICATION ............................................................. 17 4.2 CONSÉQUENCES ET RÉPERCUSSIONS .......................................................... 22 4.3 DESSINS ET DIMENSIONS NOMINALES ET TOLÉRANCES .......................................... 23 CHAPITRE 5 : RÉALISATION – SYSTÈME DE MESURE ET COMPOSANTS ............ 24 5.1 CALCULS, CHOIX ET JUSTIFICATIONS ............................................................ 24 IV 5.2 CONSÉQUENCES ET RÉPERCUSSIONS ........................................................... 25 CHAPITRE 6 : FABRICATION ET ESSAIS ....................................................... 27 6.1 SOUS-ENSEMBLE ARTISANAL RÉALISÉ ET SYSTÈME DE MESURE ................................. 27 6.2 INTERFAÇAGE AVEC LES AUTRES SOUS-SYSTÈMES ............................................. 29 6.3 SENSIBILITÉ DU SYSTÈME DE MESURE RÉALISÉ .................................................. 30 CHAPITRE 7 : TABLEAU SYNTHÈSE DES PIÈCES ET DU PRODUIT ..................... 31 7.1 NOMENCLATURE ET NUMÉROTATION DES PIÈCES ................................................ 31 7.2 COÛTS-MATIÈRE, POIDS, DIMENSIONS ET JUSTIFICATIONS ....................................... 32 CONCLUSION ........................................................................................... 34 RÉFÉRENCES .......................................................................................... 35 ANNEXE A : MAISON DE LA QUALITÉ 1 ........................................................ 37 ANNEXE B : MAISON DE LA QUALITÉ 2 ....................................................... 38 ANNEXE C : MATRICE MORPHOLOGIQUE .................................................... 39 ANNEXE D : MATRICE DE PUGH ................................................................ 40 ANNEXE E : DONNÉES DES PROFILS D’AILE ................................................. 41 ANNEXE F : CALCULS DE RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX DES SOUS-SYSTÈMES 43 ANNEXE G : FICHE TECHNIQUE DU PROFIL D’AILE JMB1210 ........................ 47 ANNEXE H : FICHE TECHNIQUE POUR LA FIXATION DE L’AILE ......................... 48 ANNEXE I : CALCULS DE RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX DU SYSTÈME DE MESURE .............................................................................................................. 49 ANNEXE J : PHOTOS DU PROCESSUS DE FABRICATION ................................ 51 ANNEXE K : DESSINS TECHNIQUES DU SYSTÈME DE MESURE ........................ 57 5 e ANNEXE L : FEUILLE DE TEMPS ................................................................. 66 p ui q É ANNEXE M : ÉCHÉANCIER ........................................................................ 67 | 3 s ANNEXE N : FACTURE .............................................................................. 69 ca e d ANNEXE O : FICHE DU SYSTÈME DE MESURE............................................... 70 de u t É LLLLiiiisssstttteeee ddddeeeessss ttttaaaabbbblllleeeeaaaauuuuxxxx TABLEAU 4.1 : LISTE DES CONTRAINTES AGISSANT SUR LES SOUS-SYSTÈMES ................... 17 TABLEAU 4.2 : CALCUL DE LA CONTRAINTE EN FLEXION DANS LE PROFIL D’AILE ................. 19 TABLEAU 4.3 : CALCUL DE LA CONTRAINTE DE CISAILLEMENT DANS LE PROFIL D’AILE ........ 19 TABLEAU 4.4 : CALCUL DE LA CONTRAINTE DE CISAILLEMENT DANS L’AXE DU SUPPORT ...... 20 TABLEAU 4.5 : CALCUL DE LA CONTRAINTE EN TORSION DANS LA TIGE FILETÉE .................. 21 TABLEAU 4.6 : CALCULS DU DÉPLACEMENT ANGULAIRE DE LA TIGE FILETÉE ...................... 21 TABLEAU 5.1 : LISTE DES CONTRAINTES NORMALES DE CISAILLEMENT .............................. 24 TABLEAU E.1 : PROFIL JMB1210 .................................................................................... X TABLEAU E.2 : PROFIL EPPLER E61 ............................................................................... X TABLEAU E.3 : PROFIL GOTTINGEN 464........................................................................... X 1 IIIInnnnttttrrrroooodddduuuuccccttttiiiioooonnnn Dans le cadre du cours de projet initial en génie aérospatial de la session hiver-2014, les étudiants ont dû se mettre dans la peau de jeunes ingénieurs afin de découvrir les différentes étapes de conception d’un produit. Dans notre cas, ce produit est une soufflerie qui va permettre la vulgarisation scientifique de concepts aérodynamiques auprès des élèves d’écoles secondaires. Les travaux ont été effectués à travers trois études de cas détaillées se présentant ainsi : * Étude approfondie des besoins des clients potentiels * Conception complète des systèmes inclus dans la soufflerie * Fabrication et analyse structurale et expérimentale du produit final Lors de la deuxième étape, les équipes se sont fait attribuer comme mandat de se concentrer sur la mesure de portance, sur le maintien structurel de la soufflerie ou encore sur la génération du flux d’air. Pour cette troisième et dernière étape, les équipes devaient réunir leurs concepts et s’ajuster aux autres en créant une compagnie, de manière à réaliser une soufflerie complète et fonctionnelle. Ce rapport se concentre davantage sur la réalisation et la construction du système de mesure de portance. L’ensemble de ce qui concerne la fabrication et l’analyse structurale du système s’expliquera à travers toutes les parties du rapport suivant et couvriront l’essentiel des décisions qui auront servies à concevoir le produit final : * Sommaire des requis conceptuels et techniques * Analyse des efforts internes et externes entourant le système * Réalisation des sous-systèmes, des systèmes de mesure et de leurs composants * Fabrication et essais * Tableau synthèse des nombreuses pièces utilisées et du produit 2 CCCChhhhaaaappppiiiittttrrrreeee 1111 –––– SSSSoooommmmmmmmaaaaiiiirrrreeee ddddeeeessss rrrreeeeqqqquuuuiiiissss ccccoooonnnncccceeeeppppttttuuuueeeellllssss eeeetttt tttteeeecccchhhhnnnniiiiqqqquuuueeeessss 1.1 Description, données et restrictions Le mandat de notre équipe consiste à réaliser le système de mesure de portance tel que décrit lors de l’étude de cas 2, la veine d’essai de la soufflerie ainsi qu’un profil d’aile à tester. Bien que ces éléments soient reliés entre eux, nous avons jugé plus pratique de traiter chacun séparément lors de l’étude détaillée. Notons tout de même que le produit final doit être sécuritaire pour les utilisateurs, demeurer stable pendant un essai et pouvoir se ranger dans un espace limité. De plus, l’utilisation du produit doit être facile avec une préparation minimale. Tout d’abord, le système de mesure de portance doit permettre une mesure quantitative de premier ordre d’un modèle d’aile équipé d’un seul et même profil en envergure. Cette mesure doit être réalisée à l’aide d’une balance. La balance à notre disposition est une balance de cuisine électronique ayant comme étendue de valeurs de 1g à 5000g. Lors de l’étude de cas 2, nous avons adopté une configuration munie d’un support en Y, externe à la veine d’essai, relié à un dispositif pivot/levier transmettant la portance générée vers une balance. Ensuite, la veine d’essai doit permettre l’observation du profil d’aile durant l’essai et montrer que la portance est fonction de l’orientation du profil d’aile et de la vitesse d’écoulement. L’assemblage et la fixation de la veine d’essai doivent être faciles et rapides. Lors de l’étude de cas 2, nous avons décidé de construire une veine d’essai en poly méthacrylate de méthyle (Plexiglas®) pour la transparence et la légèreté de ce matériau. Finalement, le profil d’aile doit être muni du même profil portant sur toute son 5 e p envergure. Il doit être relié à notre système de mesure de portance d’une manière ui q É qui permettre de mesurer la portance la plus précise et la plus élevée possible. Il | 3 doit également être possible de faire varier l’angle d’attaque du profil d’aile de façon as c e rapide et efficace. d e d u t É