Recherche et développement du châssis du drone (Matthieu FAUCHER)

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1 Recherche et développement du châssis du drone (Matthieu FAUCHER) Dans cette partie, nous nous intéresserons au châssis de notre drone, constitué des quatre pieds et des différentes platines centrales. Pour les formes utilisés, je me suis posé la question de quelle serait la meilleure solution en fonction du poids et de la résistance des différents systèmes. Après une recherche sur Internet, j'ai retenu trois solutions qui me semblaient les plus intéressantes : le tenon-mortaise, les éléments tubulaires, ou encore les éléments préfabriqués et aérés, type alvéolé ou «nid d abeille». Pieds de drone en tube Châssis et pieds en tenon-mortaise Pieds alvéolés en PVC Je me suis inspiré d un châssis trouvé sur Internet car je pensais exploiter la solution du nid d abeille au départ. Puis j'ai choisi la solution du tenonmortaise pour sa légèreté, sa facilité de construction et car il permet une grande souplesse sur le montage par rapport aux éléments vissés que présentent les autres châssis. De plus, cette solution permet de construire rapidement et sans problèmes de dimensions des pièces en différents matériaux. La totalité des pièces qui constituent le drone ont été conçues sur le logiciel de CAO SolidWorks. Elles ont ensuite été fabriqué au lycée sur des machines de découpe telles que la fraiseuse Charly robot, une machine de découpe au jet d'eau ou grâce a notre imprimante 3D. Pour les pièces centrales du châssis, je suis parti d'une base carrée et j'ai cherché à arrondir la pièce et à enlever la matière de cette base. En ce qui concerne les pieds, je me suis inspiré de pieds déjà utilisés sur des drones existants. J'ai choisi de faire un pied en longueur avec un support à son extrémité. J'ai également décidé d'enlever un maximum de matière sur le pied, pas trop cependant, afin de conserver la résistance de la pièce. Fixation châssis Pièces en tenon-mortaise Châssis inférieur du drone Fixation moteurs

2 Le drone est assemblé grâce au système de tenon-mortaise, puis les différentes pièces ont été collées entre elles une fois les éléments électroniques ajoutés. Cela a permis de faire des modifications jusqu'au dernier moment. Certaines pièces sont tenues par des entretoises dans le but de renforcer les endroits plus fragiles. Nous allons maintenant nous intéresser aux différents tests et simulations effectuées sur le drone pour le projet. Je me suis concentré sur les pieds, ainsi le châssis ne sera pas pris en compte dans cette étude. Ces tests se décomposent en deux parties différentes : les simulations virtuelles sur logiciel, puis les essais réels sur banc d'essais. Simulation sur logiciel La problématique que je me suis donné pour ces tests était : «Quelle sera la réaction de nos pieds lors du vol?». Afin d'y répondre, j'ai cherché la valeur de la force de traction des moteurs, avec l'aide des personnes chargées des tests électroniques, à savoir Luc et Julie. Les moteurs sont donc capables de tirer sur le drone avec une force de 10N chacun. J'ai donc choisi, pour plus de précision dans mes tests, de multiplier cette valeur par trois. Ainsi, mes tests sont effectués avec une valeur de 30N en traction. Cela permet de lire plus facilement les résultats sur des courbes, et aussi d'obtenir une marge de sécurité sur les résultats obtenus. En effet, si les pieds du drone résisteront à 30N, ils résisteront forcément pour une valeur inférieure. Pour la simulation virtuelle, j'ai utilisé le logiciel SolidWorks Simulation qui possède un module de calcul par éléments finis grâce auquel il est possible de simuler virtuellement une quinzaine de situations différentes (effort, statique, chute, torsion...). Pour ce qui est de mon étude, j'ai utilisé le module de statique. Pour simuler l'encastrement des pieds dans le châssis, j'ai appliqué une liaison «géométrie fixe» sur les fixations du pied. Ceux ci viennent se fixer dans des petites plaques qui remplacent le châssis complet.

3 Pour l'effort, j'ai décidé de l'appliquer sur la croix de fixation des moteurs car c'est sur cette surface que les moteurs vont tirer en réalité. Comme je l'ai dit précédemment, cet traction sera de 30 N pour avoir une marge de sécurité satisfaisante. Une fois les paramètres entrés dans le logiciel, il faut créer le maillage. Plus le maillage sera fin, plus les résultats de la simulation seront réalistes mais aussi le calcul long. J'ai donc appliqué le maillage le plus fin possible. Pour cette simulation, j'ai choisi d'utiliser la fibre de carbone comme matériau. Afin de trouver ses caractéristiques, j'ai utilisé le logiciel CES Édupack qui est une base de données sur les matériaux. J'ai ensuite importé les caractéristiques du matériau de ce logiciel jusqu'à SolidWorks. La valeur que je recherchais était la limite d'élasticité de la fibre de carbone qui est de 750 MPa, entourée en vert dans le tableau suivant. Il ne reste plus qu'à lancer le calcul. Effort max : 8,1 Mpa Déformation max : 0,05 mm J'ai commencé par une étude de contrainte sur le pied. On voit clairement que la partie la plus fragile se situe à la jointure avec le châssis. La contrainte maximum subie est d'environ 8 Mpa. L'effort que subit le pied est donc infime par rapport a ce qu'il est encore capable d'encaisser. J'ai ensuite effectué une mesure de déplacement pour voir de combien le pied se déformera. D'après mon étude, le pied en fibre de carbone se déforme de 0,05 mm pour un effort de 30 N. Ainsi, d'après mes simulations, le pied du drone est largement assez résistant pour un usage normal, c'est à dire en suivant la traction donnée par les moteurs.

4 Essais réels sur banc d'essais Pour ce qui est de la série de tests réels, j'ai travaillé sur un banc d'essais fait pour les mesures d'efforts. Il s'agit d'un banc d'essais 3R BED 100 conçu pour l'étude de résistance des matériaux. Le but de cette étude était de déterminer le matériau le plus adapté pour fabriquer le drone. Je me suis donc concentré sur la déformation de chaque matériau. J'avais fabriqué un pied en PVC, un pied en aluminium, et un dernier en fibre de carbone. J'ai exercé la même force sur chacun des Le banc d'essais trois pieds différents afin de voir la différence de comportement de chaque matériau, ainsi que leur déformation respective. J'ai appliqué, comme dans la simulation SolidWorks une force de 30N. Les résultats seront arrondis au 1/10ème de Newton. J'ai utilisé le vérin central qui est chargé de pousser sur la pièce. Il est équipé d'un capteur d'efforts afin de transmettre les valeurs qu'il enregistre à l'ordinateur ce qui permet de créer les courbes. Le vérin allant du haut vers le bas, j'ai du placer la pièce à l'envers sur son support pour que le vérin pousse selon la bonne direction. Afin de stabiliser les pieds du drone, j'ai ajouté des plaques qui offrent une plus grande surface de serrage sur le pied. Elles permettent également de se rapprocher de la réalité où les pieds sont fixés sur le châssis. Montage sur le banc d'essai La fixation du pied sur le banc d'essais Déformation à la fin de la poussée pour 30N A la fin des tests, on obtient les courbes de la déformation des courbes en fonction de l'effort fourni. Voici ci-dessous les différents résultats obtenus. Déformation : 1,8 mm Aluminium Déformation : 1,8 mm Fibre de carbone

5 D'après ces courbes, je peux observer les comportements des différents matériaux. J'ai remarqué que la fibre de carbone et l'aluminium avait un rapport quasiment identique :, les deux matériaux se déforment d'environ 1,8 mm. Ainsi, les deux matériaux pourraient présenter la même efficacité pour le besoin du projet. Seulement, la résistance n'est pas le seul paramètre à PVC expansé prendre en compte, et l'aluminium ayant une masse volumique bien supérieure à celle de la fibre de carbone, j'ai choisi de laisser ce matériau de côté. Pour ce qui est du PVC, la courbe nous indique qu'il a une très grande capacité de déformation, contrairement aux deux autres matériaux. En effet, de poussée, il se déforme d'environ 1 cm, ce qui est énorme par rapport aux autres matériaux. Déformation : 1 cm Analyse des écarts Les tests réels que j'ai effectué sur le banc d'essais présentent un écart avec mes simulations virtuelles. En effet, les efforts n'ont pas été appliqués sur les mêmes surfaces, les conditions réelles sont plus contraignantes que les conditions virtuelles qui idéalisent le milieu de l'expérimentation. Cependant, on peut admettre les résultats des simulations comme justes car l'écart n'est pas très important et car le matériau réel ne présente pas les mêmes caractéristiques que celles entrées dans le logiciel. Conclusion Au vu de mes expériences, le matériau le plus indiqué pour constituer le drone aurait été la fibre de carbone. Malheureusement, en raison de la très petite quantité dont je disposais et au vu du prix des plaques, il n'était pas envisageable de construire le drone avec ce matériau. Je me suis donc rabattu sur la solution du PVC, car il était peu cher et facilement façonnable, ce qui donnait plus de souplesse sur la fabrication des pièces, pour le remplacement ou pour ajouter des éléments par exemple. Pour la simulation virtuelle, un test de chute aurait pu être effectué avec le logiciel, mais les ordinateurs dont nous disposons au lycée n'étant pas assez performant, cette étude s'est révélée impossible à effectuer. Au cours de l'année, les personnes chargées de la partie électronique ont rajoutés des composants sur le robot, ce qui m'a amené à effectuer des modifications sur le premier prototype de drone que j'avais réalisé. J'ai donc rajouté plusieurs plaques pour construire un nouveau châssis sous forme d'étages qui accueillent chacun différents composants. Pour le poids du robot, j'avais réalisé des estimations en cours de montage, qui donnaient un poids d'environ 1 kg, puis j'ai effectué une mesure une fois toutes les pièces ajoutées, ce qui donne un poids final de 1,6 kg.