Dynamic simulation and optimization of artificial insect-sized flapping wings for a bioinspired kinematics using a two resonant vibration modes combination

This paper addresses the design of the elastic structure of artificial wings to optimize their dynamical behaviour to reproduce insect wings kinematics. Our bioinspired kinematics is based on the original concept of using the resonant properties of the wing structure in order to combine the motion of two vibration modes, a flapping and a twisting mode, in a quadrature phase shift. Oneway of achieving this particular combination is to optimize the geometry and elastic characteristics of the flexible structure such that the two modes are successive in the eigenspectrum and close in frequency. This paper first proposes a semi-analytical model, based on assembled Euler-Bernoulli beams, to understand, compute and optimize the artificial wing dynamic vibrations. Then, using this model, it is shown that it is possible to obtain several artificial wing structures with a flapping and a twisting mode close in frequency. Finally, experimental validations are performed on micromachined insect-sized prototypes to validate the model and the concept

Two modes resonant combined motion for insect wings kinematics reproduction and lift generation

This paper presents an original concept using a two resonant vibration modes combined motion to reproduce insect wings kinematics and generate lift. The key issue is to design the geometry and the elastic characteristics of artificial wings such that a combination of flapping and twisting motions in a quadrature phase shift could be obtained. This qualitatively implies to bring the frequencies of the two resonant modes closer. For this purpose, a polymeric prototype was micromachined with a wingspan of 3 cm, flexible wings and a single actuator. An optimal wings configuration was determined with a modeling and validated through experimental modal analyses to verify the proximity of the two modes frequencies. A dedicated lift force measurement bench was developed and used to demonstrate a lift force equivalent to the prototype weight. Finally, at the maximum lift frequency, high-speed camera measurements confirmed a kinematics of the flexible wings with flapping and twisting motions in phase quadrature as expected.ANR-ASTRID CLEARFlight (ANR-13-ASTR-0012), RENATECH program, Direction Generale de l’Armement et Haut-de-France Regio

Linear electromagnetic energy harvester system embedded on a vehicle suspension: From modeling to performance analysis

Although linear electromagnetic energy harvester (LEH) is a promising technique for converting energy in a vehicle suspension, due to the large displacements, one of the main drawbacks of the solutions inside the vehicle is still their size and complexity. To address this issue, this paper focuses on the design and fabrication of a fully embedded LEH without any modification of the suspension initial structure. After a determination of the electrical, mechanical and electromechanical parameters using a Finite Element analysis, the dynamic efficiency is highlighted with a global Bond Graph model. This formalism is well adapted to simulate energy transfers inside multiphysic systems and to reduce the computational time, whereas the finite element model is not exploitable for a complete suspension simulation. In order to validate the Bond Graph simulation results, an embedded prototype has been built and tested in a laboratory environment. The embedded LEH system delivers around 10 W for a solicitation of linear velocity of 1 m/s which is sufficient to power a classical electronic circuit which is in good correlation with the measured ones and significant power has been obtained

Investigation of Cross-Coupling in Piezoelectric Transducer Arrays and Correction

Cross-coupling in piezoelectric transducer arrays is an undesirable phenomenon which decreases the performance of these devices. Indeed, when one element of a transducer is driven, it generates parasitic displacement fields at the radiating surfaces of the neighboring elements, which changes the directivity of the array. The objective of this paper is to investigate the cross-coupling effects on the piezoelectric transducer arrays performance and to propose solutions to reduce this parasitic phenomenon. In this context, it is demonstrated that a filling material having high mechanical losses contributes to the reduction of cross-coupling. In addition to this, a procedure of active cancellation of cross-coupling is successfully tested in the case of two transducer arrays vibrating in the transverse mode for the first prototype and thickness mode for the second one. Finally, the ability of the method is demonstrated even when the displacement at the radiating surface of the transducer array is not uniform

Développement d’un insecte artificiel. Nanodrone dédié à la surveillance intra-bâtiment

Dans l’optique de réaliser de la surveillance intra-bâtiment avec un système autonome, mobile, très discret, des recherches sont en cours pour développer des nanodrones. Elles se concentrent sur la compréhension et l’imitation du vol battu des insectes et sur les aspects de la miniaturisation. Cet article décrit la conception et la réalisation d’un insecte artificiel à ailes résonantes à l’aide des technologies de microfabrication de la microélectronique. Un actionneur électromagnétique induit un mouvement de flexion/torsion des ailes correspondant à une cinématique similaire à celle des insectes. L’estimation des phénomènes aéroélastiques en grands déplacements est réalisée à l’aide d’un modèle basé sur les éléments finis et une formulation analytique de l’aérodynamique. Une validation expérimentale est ensuite proposée

Contribution à l’optimisation du contrôle santé intégré par ondes de Lamb : application à la surveillance de structures aéronautiques

Thèse de doctorat en Electronique, Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, 21 décembreThis work is devoted to the study and the development of an health monitoring system assigned to aircraft applications. The chosen health monitoring system is based first on the excitation and reception of Lamb waves along the structure and secondly on a continuous monitoring with the same transducers. However, the use of such a system is complex and some technical points must be solved to allow its optimisation. Firstly, the characteristics knowledge of Lamb waves generated is crucial. In this way, a variety of velocity measurement techniques is used and applied with success on different structures like wingbox. On other hand, preliminary tests are performed on metallic riveted plates and on wingbox composite structures in order to verify the system potentialities on real and complex structures. Thus different types of defects (fatigue crack, damage due to low velocity impacts) are introduced in these structures and detected. Finally a hybrid modelling technique (Finite elements- normal modes) is used to conceive transducers better adapted to Lamb waves generation. Theoretical results are then put in a concrete application which consists in the study of a composite plate with orthotropic symmetry.Ce travail est consacré à l'étude et à la mise au point d'un système de surveillance embarqué destiné au contrôle santé de structures aéronautiques. Le système choisi pour réaliser ce « contrôle santé intégré » repose, d'une part, sur l'excitation et la réception d'ondes de Lamb le long de la structure, par l'intermédiaire de transducteurs piézoélectriques fonctionnant en émetteur-récepteur et d'autre part, sur la veille permanente de la structure par ces mêmes transducteurs. L'utilisation d'un tel système s'avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus afin d'optimiser ce type de surveillance. En premier lieu, une parfaite connaissance des caractéristiques des ondes de Lamb générées est nécessaire. Dans ce but, différentes techniques de mesures de vitesse sont utilisées et appliquées avec succès sur des exemples variés comme celui d'une aile d'avion. D'autre part, une série d'essais préliminaires est réalisée sur des plaques métalliques rivetées ainsi que sur des parties d'aile d'avion en composite, afin de s'assurer du bon fonctionnement de ce système sur des structures réelles. Ainsi, des défauts de nature différente (fissures de fatigue, endommagements liés a des impacts basses vitesses) sont initiés dans ces structures puis détectés. Enfin, une technique de modélisation hybride (éléments finis - modes normaux) est utilisée dans le but de concevoir des transducteurs mieux adaptés a la génération des modes de Lamb. Les résultats sont ensuite concrétisés sur une plaque composite de symétrie orthotrope

Contribution à l’optimisation du contrôle santé intégré par ondes de Lamb : application à la surveillance de structures aéronautiques

Thèse de doctorat en Electronique, Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, 21 décembreThis work is devoted to the study and the development of an health monitoring system assigned to aircraft applications. The chosen health monitoring system is based first on the excitation and reception of Lamb waves along the structure and secondly on a continuous monitoring with the same transducers. However, the use of such a system is complex and some technical points must be solved to allow its optimisation. Firstly, the characteristics knowledge of Lamb waves generated is crucial. In this way, a variety of velocity measurement techniques is used and applied with success on different structures like wingbox. On other hand, preliminary tests are performed on metallic riveted plates and on wingbox composite structures in order to verify the system potentialities on real and complex structures. Thus different types of defects (fatigue crack, damage due to low velocity impacts) are introduced in these structures and detected. Finally a hybrid modelling technique (Finite elements- normal modes) is used to conceive transducers better adapted to Lamb waves generation. Theoretical results are then put in a concrete application which consists in the study of a composite plate with orthotropic symmetry.Ce travail est consacré à l'étude et à la mise au point d'un système de surveillance embarqué destiné au contrôle santé de structures aéronautiques. Le système choisi pour réaliser ce « contrôle santé intégré » repose, d'une part, sur l'excitation et la réception d'ondes de Lamb le long de la structure, par l'intermédiaire de transducteurs piézoélectriques fonctionnant en émetteur-récepteur et d'autre part, sur la veille permanente de la structure par ces mêmes transducteurs. L'utilisation d'un tel système s'avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus afin d'optimiser ce type de surveillance. En premier lieu, une parfaite connaissance des caractéristiques des ondes de Lamb générées est nécessaire. Dans ce but, différentes techniques de mesures de vitesse sont utilisées et appliquées avec succès sur des exemples variés comme celui d'une aile d'avion. D'autre part, une série d'essais préliminaires est réalisée sur des plaques métalliques rivetées ainsi que sur des parties d'aile d'avion en composite, afin de s'assurer du bon fonctionnement de ce système sur des structures réelles. Ainsi, des défauts de nature différente (fissures de fatigue, endommagements liés a des impacts basses vitesses) sont initiés dans ces structures puis détectés. Enfin, une technique de modélisation hybride (éléments finis - modes normaux) est utilisée dans le but de concevoir des transducteurs mieux adaptés a la génération des modes de Lamb. Les résultats sont ensuite concrétisés sur une plaque composite de symétrie orthotrope

OPTIMISATION DU CONTROLE SANTE INTEGRE PAR ONDES DE LAMB. APPLICATION A LA SURVEILLANCE DE STRUCTURES AERONAUTIQUES

CE TRAVAIL EST CONSACRE A L'ETUDE ET A LA MISE AU POINT D'UN SYSTEME DE SURVEILLANCE EMBARQUE DESTINE AU CONTROLE SANTE DE STRUCTURES AERONAUTIQUES. LE SYSTEME CHOISI POUR REALISER CE CONTROLE SANTE INTEGRE REPOSE, D'UNE PART, SUR L'EXCITATION ET LA RECEPTION D'ONDES DE LAMB LE LONG DE LA STRUCTURE, PAR L'INTERMEDIAIRE DE TRANSDUCTEURS PIEZOELECTRIQUES FONCTIONNANT EN EMETTEUR-RECEPTEUR ET D'AUTRE PART, SUR LA VEILLE PERMANENTE DE LA STRUCTURE PAR CES MEMES TRANSDUCTEURS. L'UTILISATION D'UN TEL SYSTEME S'AVERE CEPENDANT COMPLEXE ET UN CERTAIN NOMBRE DE POINTS TECHNIQUES DOIVENT ETRE RESOLUS AFIN D'OPTIMISER CE TYPE DE SURVEILLANCE. EN PREMIER LIEU, UNE PARFAITE CONNAISSANCE DES CARACTERISTIQUES DES ONDES DE LAMB GENEREES EST NECESSAIRE. DANS CE BUT, DIFFERENTES TECHNIQUES DE MESURES DE VITESSE SONT UTILISEES ET APPLIQUEES AVEC SUCCES SUR DES EXEMPLES VARIES COMME CELUI D'UNE AILE D'AVION. D'AUTRE PART, UNE SERIE D'ESSAIS PRELIMINAIRES EST REALISEE SUR DES PLAQUES METALLIQUES RIVETEES AINSI QUE SUR DES PARTIES D'AILE D'AVION EN COMPOSITE, AFIN DE S'ASSURER DU BON FONCTIONNEMENT DE CE SYSTEME SUR DES STRUCTURES REELLES. AINSI, DES DEFAUTS DE NATURE DIFFERENTE (FISSURES DE FATIGUE, ENDOMMAGEMENTS LIES A DES IMPACTS BASSES VITESSES) SONT INITIES DANS CES STRUCTURES PUIS DETECTES. ENFIN, UNE TECHNIQUE DE MODELISATION HYBRIDE (ELEMENTS FINIS - MODES NORMAUX) EST UTILISEE DANS LE BUT DE CONCEVOIR DES TRANSDUCTEURS MIEUX ADAPTES A LA GENERATION DES MODES DE LAMB. LES RESULTATS SONT ENSUITE CONCRETISES SUR UNE PLAQUE COMPOSITE DE SYMETRIE ORTHOTROPE.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

A model to predict modal radiation by finite-sized sources in semi-infinite isotropic plates

Conference of 15th Anglo-French Physical Acoustics Conference, AFPAC 2016 ; Conference Date: 13 January 2016 Through 15 January 2016; Conference Code:126251International audienceElastic guided wave (GW) propagation is involved in various non-destructive testing (NDT) techniques of plate-like structures. The present paper aims at describing an efficient model to predict the GW field radiated by various sources attached at a distance of the straight boundary of an isotropic plate, a configuration often encountered in typical examinations. Since the interpretation of GW propagation and scattering in plates is made easier by the use of modal description, the model is derived in the classical theoretical framework of modal solutions. Direct radiation by a uniform source of finite size in an isotropic plate can be efficiently modelled by deriving Fraunhofer-like approximation. A rigorous treatment is proposed based upon i) the stationary phase method to describe the field after reflection at a plate edge, ii) on the computation of modal reflection coefficients for an arbitrary incidence relative to the edge and iii) on the Fraunhofer approximation to account for the finite size of the source. The stationary phase method allows us to easily express the amplitude of reflected modes, that is to say, the way waves spread, including reflections involving mode conversions. The computation of modal reflection coefficients for plane GW at oblique incidence was recently treated in the literature and our work for this very problem simply consisted in adapting it to the SAFE calculation we use to compute modal solutions. The overall computation of the direct and reflected contributions is numerically very efficient. Once the total field is computed at a given frequency, the time-dependent field is obtained by simple Fourier synthesis