Modélisation de structures multi-rubans pour applications spatiales

National audienceOn s'intéresse à la modélisation de structures multi-rubans déployables. Partant d'un modèle 1D spécifique, on établit un outil métier capable de modéliser un mètre ruban seul afin d'effectuer une analyse des réponses possibles pour un jeu de conditions limites imposé. Cet outil sera par la suite étendu à la modélisation de structures multi-rubans, pour conduire une étude comparative de diverses solutions de déploiement envisagées

Equilibre et stabilité de pliages de mètre rubans à l’aide d’un modèle élément fini de poutre à section flexible.

International audienceLes mètres rubans ont la particularité de développer des pliages localisés, provoqués par des flambages. Sous certaines conditions de chargement, plusieurs configurations d’équilibre peuvent coexister, correspondant à des positions et des nombres de plis différents. On propose ici un outil permettant l’étude des positions d’équilibre, ainsi que leur stabilité. Cet outil est basé sur un modèle élément fini de poutre à section flexible et sur la méthode asymptotique numérique

Pliages dans les mètres rubans

Le mètre ruban est une structure élastique qui a la forme d'une poutre à paroi mince de section circulaire et qui a la faculté de développer des pliages localisés, dûs à un applatissement local de la section. Dans ses configurations pliées et stables, un ruban présente trois zones caractéristiques : - portion droite où la courbure transversale reste inchangée - zone de pli (portion plate où la courbure transversale est nulle et où une courbure longitudinale est apparue) - zone de transition entre les portions non déformées et le pli En dehors des zones de pliages et de transition, le ruban garde sa géométrie initiale. En manipulant le mètre ruban, on constate que les plis peuvent migrer le long du ruban, se dupliquer, disparaître ... Le nombre de pliages et leurs positions dépendent des conditions limites appliquées et pour un même jeu de sollicitations, il peut y avoir plusieurs positions d'équilibre stable. En associant plusieurs rubans, on peut envisager de multiples configurations de pliages permettant d'aboutir à des systèmes de déploiement originaux (hexapodes pliables). On peut également concevoir des systèmes multi-stables permettant d'aboutir à plusieurs configurations de fonctionnement (charnières bistables). Afin d'assurer la fiabilité du déploiement d'une structure à base de mètres rubans, il faut se doter d'outils de modélisation adaptés. On en propose deux dans ce travail : - une méthode énergétique simple, basée sur des considérations géométriques sur la déformée du ruban, qui permet de déterminer le nombre de plis et leur position en fonction de la sollicitation appliquée aux extrémités du mètre ruban - un modèle numérique de poutre à section flexible capable de rendre compte du comportement des mètres rubans, implémenté dans un logiciel de continuation permettant le calcul des branches d'équilibre et la détection des bifurcations

Modeling of spatial structures deployed by tape springs : Towards a home-made modeling tool based on rod models with flexible cross sections and asymptotic nu- merical methods

Les dimensions des satellites spatiaux tendent à croître fortement alors que le volume disponible dans la coiffe des lanceurs est limité. L'utilisation de structures déployables permet de résoudre cette contradiction. Afin de développer l'offre disponible, le département Recherche de Thales Alenia Space étudie les mètres rubans comme solution innovante de déploiement. La première structure envisagée est un télescope déployé par le déroulement de six mètres rubans assurant également le positionnement du miroir secondaire. D'autres structures déployables utilisant les propriétés des mètres rubans sont également en cours d'étude : mât, panneaux solaires, etc.Il convient alors de se doter d'outils de modélisation spécifiques pour modéliser les scénarios de déploiement et multiplier les configurations envisagées. Deux précédentes thèses ont conduit à l'élaboration de modèles énergétiques de poutre à section flexible, rendant compte du comportement plan des rubans ([Guinot2011]) puis de leur comportement tridimensionnel ([Picault2014]). Cette thèse présente différentes contributions autour de ces modèles de poutre à section flexible. Les hypothèses du modèle ont été améliorées. Le re-positionnement de la ligne de référence sur le barycentre des sections conduit à des résultats plus proches des scénarios physiques (apparition et disparition des plis sur le ruban). A ce jour, les hypothèses et les équations du modèle sont définitivement formalisées. Nous avons établi les équations locales 1D (équilibre, comportement) dans le cas des comportements tridimensionnels avec le souci de la plus grande généralité. Établir ensuite les équations dans des cas dérivés simplifiés (restriction aux comportements 2D, section faiblement courbée) nous a permis d'obtenir un certain nombre de solutions analytiques et les équations à implémenter dans l'outil métier.Nous avons développé sur le logiciel de continuation ManLab les premiers éléments d'un outil métier performant dédié à la modélisation des mètres rubans. Nous avons ainsi pu réaliser deux contributions principales :- Un outil généraliste, performant en temps de calcul, permettant d'étudier les systèmes différentiels 1D (BVP, Boundary Value Problems). Les équations locales des modèles de poutre à section flexible ont été implémentées dans cet outil, avec une discrétisation par interpolation polynomiale et collocation orthogonale.- Un élément fini spécifique pour les poutres à section flexible et son implémentation dans ManLab.Ces éléments ont permis de réaliser différentes simulations numériques conduisant à une meilleure compréhension du comportement des mètres rubans grâce aux diagrammes de bifurcation associés à plusieurs essais significatifs.Dimensions of spatial satellites tend to grow bigger and bigger, whereas the volume in launchers remains very limited. Deployable structures must be used to meet this contradiction. To expand the offer of possible solutions, the Research Department of Thales Alenia Space is currently studying tape springs as an innovative deployment solution. The first structure to be considered is a telescope that is deployed by the uncoiling of six tape springs that also ensure the positioning of the secondary mirror. Other deployable structures that use the properties of tape springs are under investigation : mast, solar panels,...Specific modeling tools then appear compulsory to model deployment scenarios and multiply the tested configurations. Two previous PhD thesis lead to the development of energetic rod models with flexible cross-sections that account for planar ([Guinot2011])and three dimensional behavior of tape springs ([Picault2014]). This PhD thesis presents several contributions on these rod models with flexible cross-sections. The hypotheses of the model were improved. Re-positioning the reference rod line so that it passes through the sections' centroids leads to results that are closer to experimental scenarios (creation and disappearance of folds in the spring). The hypotheses and equations of the model are now definitively formalized.We have derived the 1D local equations in the three-dimensional behavior case in the most generalist way. Then, the derivation of the equations in simplified cases (restriction to 2D behavior, shallow cross-section) enabled us to obtain several analytic solutions and the equations to implement in the specific modeling tool.We have developed on the continuation software ManLab the first elements towards a home made, efficient modeling tool dedicated to the modeling of tape springs. Two main contributions can be listed :- A generalist tool, efficient in calculus times, to study 1D differential problems (BVP, Boundary Value Problems). The local equations of the rod models with flexible cross sections were implemented in this tool, with a discretization based on polynomial interpolation and orthogonal collocation.- A specific finite element for rods with flexible cross sections and its implementation in ManLab.These elements enabled us to perform several numerical simulations and have a better understanding of the behavior of tape springs thanks to full bifurcation diagrams obtained for significant tests

Modélisation de structures spatiales déployées par des mètres ruban : vers un outil métier basé sur des modèles de poutre à section flexible et la méthode asymptotique numérique

Dimensions of spatial satellites tend to grow bigger and bigger, whereas the volume in launchers remains very limited. Deployable structures must be used to meet this contradiction. To expand the offer of possible solutions, the Research Department of Thales Alenia Space is currently studying tape springs as an innovative deployment solution. The first structure to be considered is a telescope that is deployed by the uncoiling of six tape springs that also ensure the positioning of the secondary mirror. Other deployable structures that use the properties of tape springs are under investigation : mast, solar panels,...Specific modeling tools then appear compulsory to model deployment scenarios and multiply the tested configurations. Two previous PhD thesis lead to the development of energetic rod models with flexible cross-sections that account for planar ([Guinot2011])and three dimensional behavior of tape springs ([Picault2014]). This PhD thesis presents several contributions on these rod models with flexible cross-sections. The hypotheses of the model were improved. Re-positioning the reference rod line so that it passes through the sections' centroids leads to results that are closer to experimental scenarios (creation and disappearance of folds in the spring). The hypotheses and equations of the model are now definitively formalized.We have derived the 1D local equations in the three-dimensional behavior case in the most generalist way. Then, the derivation of the equations in simplified cases (restriction to 2D behavior, shallow cross-section) enabled us to obtain several analytic solutions and the equations to implement in the specific modeling tool.We have developed on the continuation software ManLab the first elements towards a home made, efficient modeling tool dedicated to the modeling of tape springs. Two main contributions can be listed :- A generalist tool, efficient in calculus times, to study 1D differential problems (BVP, Boundary Value Problems). The local equations of the rod models with flexible cross sections were implemented in this tool, with a discretization based on polynomial interpolation and orthogonal collocation.- A specific finite element for rods with flexible cross sections and its implementation in ManLab.These elements enabled us to perform several numerical simulations and have a better understanding of the behavior of tape springs thanks to full bifurcation diagrams obtained for significant tests.Les dimensions des satellites spatiaux tendent à croître fortement alors que le volume disponible dans la coiffe des lanceurs est limité. L'utilisation de structures déployables permet de résoudre cette contradiction. Afin de développer l'offre disponible, le département Recherche de Thales Alenia Space étudie les mètres rubans comme solution innovante de déploiement. La première structure envisagée est un télescope déployé par le déroulement de six mètres rubans assurant également le positionnement du miroir secondaire. D'autres structures déployables utilisant les propriétés des mètres rubans sont également en cours d'étude : mât, panneaux solaires, etc.Il convient alors de se doter d'outils de modélisation spécifiques pour modéliser les scénarios de déploiement et multiplier les configurations envisagées. Deux précédentes thèses ont conduit à l'élaboration de modèles énergétiques de poutre à section flexible, rendant compte du comportement plan des rubans ([Guinot2011]) puis de leur comportement tridimensionnel ([Picault2014]). Cette thèse présente différentes contributions autour de ces modèles de poutre à section flexible. Les hypothèses du modèle ont été améliorées. Le re-positionnement de la ligne de référence sur le barycentre des sections conduit à des résultats plus proches des scénarios physiques (apparition et disparition des plis sur le ruban). A ce jour, les hypothèses et les équations du modèle sont définitivement formalisées. Nous avons établi les équations locales 1D (équilibre, comportement) dans le cas des comportements tridimensionnels avec le souci de la plus grande généralité. Établir ensuite les équations dans des cas dérivés simplifiés (restriction aux comportements 2D, section faiblement courbée) nous a permis d'obtenir un certain nombre de solutions analytiques et les équations à implémenter dans l'outil métier.Nous avons développé sur le logiciel de continuation ManLab les premiers éléments d'un outil métier performant dédié à la modélisation des mètres rubans. Nous avons ainsi pu réaliser deux contributions principales :- Un outil généraliste, performant en temps de calcul, permettant d'étudier les systèmes différentiels 1D (BVP, Boundary Value Problems). Les équations locales des modèles de poutre à section flexible ont été implémentées dans cet outil, avec une discrétisation par interpolation polynomiale et collocation orthogonale.- Un élément fini spécifique pour les poutres à section flexible et son implémentation dans ManLab.Ces éléments ont permis de réaliser différentes simulations numériques conduisant à une meilleure compréhension du comportement des mètres rubans grâce aux diagrammes de bifurcation associés à plusieurs essais significatifs

A planar rod model with flexible cross-section for the folding and the dynamic deployment of tape springs: improvements and comparisons with experiments

International audienceA planar rod model with flexible cross-section has been recently proposed in literature (Guinot et al., 2012). This model is especially suitable for the modeling of tape springs, which develop localized folds due to the flattening of the cross-section. Starting from a complete non-linear elastic shell model, original kinematics assumptions (inspired from the elastica model) have been made to describe the important in-plane changes of the cross-section shape. In the present work, the choice of the position of the rod reference line is discussed. This choice plays an important role in the overall behavior because of the large changes of the cross-section shape. We show that the model published in Guinot et al. (2012) can be improved by considering the centerline as the rod reference line. This enhanced model is then validated through quantitative comparisons with experimental results of dynamic deployments taken from literature

A rod model with flexible cross-sections for the folding and dynamic deployment of tape-springs

International audienceThis document presents several versions of a non-linear rod model with flexible cross-sections that can account for the complex behavior of tape springs such as folding and dynamic deployment. Energetic formulation and local equilibrium equations of the model are considered, and several numerical simulations are presented

Tape with smooth deployment

A tape having a fully wound stable state and a fully unwound stable state, configured for space applications, the intermediate states between the fully wound state and the fully unwound state comprises a single continuous portion of wound tape with a first radius of curvature greater than a threshold value and a single continuous portion of unwound tape with a second radius of curvature less than the threshold value, the value of the second radius of curvature being continuous over the unwound portio; the tape comprises a stack comprising fibrous layers extending in a longitudinal direction, the resulting stack having symmetry with respect to a longitudinal plane of its fibres to compensate for torsional deformations generated by variations in temperature