Brevet FR2904409A1 — publié le 20080201

Bande souple comportant des moyens de caractérisation de sa géométrie La présente invention concerne une bande souple comportant des moyens de caractérisation de sa géométrie. Les surfaces souples sont très efficaces pour réaliser des éléments, plus particulièrement de grandes dimensions, avec un minimum de masse. Elles présentent également l'avantage d'être modulables suivant les conditions d'utilisation, jusqu'à pouvoir être stockées dans de faibles volumes lorsqu'elles ne sont pas en service. Pour ces raisons, les surfaces souples connaissent un grand nombre d'applications depuis des millénaires. Auparavant réalisées avec des toiles en fibres naturelles, les surfaces souples sont maintenant réalisées à partir de matériaux plus performants, souvent anisotropes et évolutifs. Les domaines d'application des surfaces souples sont très variés et ils concernent notamment la propulsion, qu'il s'agisse de voiles pour les navires, de membranes pour les véhicules aériens, d'ailes adaptées à la propulsion photonique pour les véhicules spatiaux, de structures gonflables ou bien de pâles pour une centrale éolienne. La connaissance de la géométrie des surfaces souples pendant leur utilisation est un élément prépondérant pour assurer leur efficacité. En effet, ces surfaces souples ont un comportement difficile à prédire en raison des grandes rotations qu'elles subissent, et à plus forte raison lorsqu'elles sont constituées de matériaux anisotropes et évolutifs. Le besoin d'obtenir une représentation tridimensionnelle d'une telle surface se fait donc clairement ressentir. Il apparaît que la mesure de la géométrie des surfaces souples est souvent difficile, particulièrement lorsqu'elles sont utilisées dans des conditions où il n'est pas possible de disposer de points d'observation situés à des distances appropriées et constantes. C'est par exemple le cas pour des membranes dont les dimensions sont grandes par rapport à celles des structures en mouvement sur lesquelles elles sont embraquées. Une surface souple de grandes dimensions peut être considérée comme une juxtaposition de plusieurs bandes et elle a très généralement un côté au moins qui est lié à une structure rigide. Pour caractériser la géométrie d'une bande, il est donc connu d'en déterminer la courbure en une pluralité de zones de mesure de dimensions très petites que l'on confond avec des points. A partir de la courbure des points identifiés sur toutes les bandes et des coordonnées du côté fixe, il est possible d'obtenir une représentation approximative de la surface considérée. 2904409 2 Une pensée technique consiste à disposer des jauges de contraintes réparties le long de la bande pour en mesurer sa déformation selon son axe longitudinal. Une seconde technique connue décrite notamment dans le document 5 GB 2 400 171 consiste à disposer périodiquement des réseaux de Bragg le long d'une fibre optique alignée sur l'axe de la bande. La courbure est obtenue par analyse spectrale de la lumière réfléchie par les réseaux. Cette technique est performante mais elle est très complexe et, partant, coûteuse. II faut en effet un analyseur de spectre qui est un appareil sophistiqué et volumineux. Or, 10 l'encombrement est une contrainte rédhibitoire dans certaines applications. Une troisième technique connue relève également de l'optique mais elle consiste à mesurer l'atténuation due à la courbure d'une fibre optique. Dans ce cas il s'agit d'une mesure qui intègre la courbure sur toute la longueur de la fibre. II n'est pas possible d'atteindre la courbure en des points identifiés. Des 15 tentatives ont donc été entreprises pour augmenter la sensibilité de la fibre à la courbure en des sections dites sensibles nécessairement de petites dimensions. Cependant, cette augmentation de sensibilité est toujours relativement modeste, si bien que, lorsque la distance séparant deux sections sensibles est importante, la courbure de la fibre entre ces deux sections ne peut pas être 20 négligée. Selon cette technique, on ne peut pas considérer qu'il y ait des zones de mesure disjointes. II apparaît ainsi que des solutions sont disponibles pour obtenir la courbure en des points identifiés d'une bande. 25 En premier lieu, la précision sur une mesure de courbure très faible est elle-aussi très faible. Or les surfaces utilisées en aérodynamique présentent rarement une forte courbure. Cependant, si la courbure est une information importante pour obtenir les coordonnées d'un point d'une surface, elle n'est pas suffisante et il faut faire des 30 hypothèses géométriques qui ne correspondent pas nécessairement à la réalité pour remonter à ces coordonnées. La présente invention a ainsi pour objet une bande pourvue de zones de mesure qui permet d'améliorer très sensiblement la précision qui peut être obtenue sur les coordonnées de ces zones de mesure. 35 Selon l'invention, une bande souple comporte une pluralité de zones de mesure disjointes, l'une au moins de ces zones de mesure comprenant un 2904409 3 capteur axial antérieur figurant sur la face antérieure de cette bande pour en mesurer la déformation axiale selon son axe longitudinal ; l'une au moins de ces zones de mesure comprend un premier capteur oblique figurant sur l'une des faces de cette bande pour en mesurer la déformation oblique selon une direction 5 d'évaluation oblique par rapport à l'axe longitudinal. Ainsi, le capteur axial est destiné à une estimation de la flexion de la bande tandis que le capteur oblique permet d'accéder à la torsion de cette bande. Connaissant la distance de la zone de mesure au côté fixe de la bande mesurée le long de son profil, connaissant la flexion et la torsion en cette zone, 10 une grande précision peut être atteinte sur les coordonnées de cette zone dans un repère qui comporte le côté fixe comme axe de référence. De préférence, la zone de mesure comprenant le premier capteur oblique comprend également un deuxième capteur oblique figurant sur la même face pour en mesurer la déformation oblique selon une direction d'estimation 15 distincte de la direction d'évaluation. On augmente ainsi la précision sur la mesure de torsion. De plus, l'axe longitudinal est la bissectrice des directions d'évaluation et d'estimation. Cette symétrisation est encore prévue pour améliorer les performances. 20 En outre, l'angle entre l'axe longitudinal et la direction d'évaluation est compris entre 22,5 et 67,5 . Il s'agit là encore d'obtenir une grande sensibilité. Par ailleurs, avantageusement, la zone de mesure comprenant le capteur axial antérieur comprend un capteur axial postérieur superposé au 25 capteur axial antérieur sur la face postérieure de cette bande. Il est ainsi possible de procéder à une mesure différentielle sur les deux capteurs axiaux qui prennent en compte des déformations de même nature absolue mais de signes opposés. II s'ensuit les avantages inhérents à ce type de détection, notamment en terme d'amélioration du rapport signal à bruit. 30 Il peut s'avérer que la connaissance de la seule flexion soit suffisante dans une zone de mesure dont le comportement le justifie. II peut également se passer le même phénomène en ce qui concerne la torsion. Toutefois, dans le cas le plus général, il est nécessaire d'obtenir la flexion et la torsion en une zone de mesure identifiée. 35 Dans ce dernier cas, le capteur axial antérieur et le premier capteur oblique figurent dans la même zone de mesure. 2904409 4 Ainsi, plusieurs zones de mesure comprennent chacune un capteur axial antérieur et un capteur oblique. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, les zones de mesure sont centrées sur l'axe longitudinal. 5 Il s'agit là d'une simplification qui permet d'obtenir le profil de la bande selon son axe longitudinal. Suivant un mode de réalisation préférentiel, l'un au moins des capteurs est une jauge de contrainte. Cet agencement permet de pallier les limitations susmentionnées des 10 systèmes optiques. Finalement, l'invention vise également une surface souple qui comporte au moins deux bandes souples. En effet, la présente invention ne se limite pas à une simple bande. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le 15 cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent : la figure 1, le schéma d'une bande, plus particulièrement : o la figure la, la face antérieure de cette bande, et o la figure 1 b, cette même bande vue de dessus ; 20 la figure 2, un schéma d'une voile réalisée par I assemblage de plusieurs bandes ; la figure 3, un secteur angulaire d'une bande soumise à un effort de flexion ; la figure 4, une section d'une bande soumise à un effort de torsion. 25 Les éléments présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence. Le problème à résoudre est donc de retrouver les coordonnées spatiales d'un point ou, de manière plus concrète, d'une zone de mesure identifiée. En référence à la figure 1 a, une bande souple a son petit côté gauche 30 CG qui est fixe. Sur son axe longitudinal AX, à proximité immédiate du côté fixe CF, est aligné un premier capteur axial CA11, la face de la bande apparaissant sur la figure étant sa face antérieure. Le premier capteur axial définit à lui seul une première zone de mesure. Par hypothèse, la torsion de la bande est nulle le long du côté fixe CF. Il 35 s'ensuit qu'en première approximation, la torsion de la bande dans la première zone de mesure peut être négligée et la seule courbure de cette zone est 2904409 5 suffisante pour élaborer le profil de la bande selon son axe longitudinal. Par hypothèse, le petit côté droit CL de la bande, celui qui est opposé à son côté fixe CF, est libre. II s'ensuit qu'en première approximation ce côté libre CL présente une courbure nulle. Par contre, il peut être soumis à une torsion qu'il 5 est important de connaître pour établir le profil de la bande. Ainsi un premier capteur oblique CO11 est disposé selon une direction oblique par rapport à l'axe AX de la bande, à proximité immédiate du côté libre CL. Eventuellement, un deuxième capteur oblique CO12 est disposé au voisinage du premier CO11 selon une direction oblique présentant un angle de sens opposé à celui de ce 10 premier capteur oblique C011. De préférence, l'agencement de ces capteurs est tel que l'axe longitudinal de la bande AX soit la bissectrice de leurs axes respectifs. L'emplacement de ces deux capteurs définit une deuxième zone de mesure. Dans le cas le plus général, la zone de mesure est située entre le côté 15 fixe CF et le côté libre CL. Il est alors nécessaire de connaître sa flexion et sa torsion pour dresser le profil de la bande. Ainsi, dans une telle zone de mesure, la troisième en l'occurrence, sont disposés un deuxième capteur axial CA11, un troisième capteur oblique CO13 et, éventuellement un quatrième capteur oblique CO14. 20 De préférence, lorsque la bande est placée dans un écoulement d'un fluide, toutes les zones de mesure de cette bande sont alignées sur une direction qui est parallèle à celle de cet écoulement. Une méthode permettant de reconstituer un profil à partir des mesures de flexion et de torsion en des points identifiés est exposée plus loin, à la suite 25 de l'aspect matériel de l'invention. En référence à la figure 1 b, des capteurs additionnels sont prévus pour améliorer la qualité des mesures. Un troisième capteur axial CA21 est superposé au premier axial CA11 sur la face postérieure de la bande. Les deux capteurs détectent donc des 30 déformations relatives de même valeur absolue mais de signes opposés. De même, toujours sur cette face postérieure de la bande, un quatrième capteur axial CA22 est superposé au deuxième capteur axial CAl2 et un cinquième capteur oblique CO15 est superposé au premier capteur oblique CO11. Les avantages résultant de cette disposition ont déjà été cités plus haut. 35 La bande dont il s'agit peut être partie intégrante de la surface souple dont il importe de caractériser la géométrie. 2904409 6 Alternativement cette bande peut être réalisée sur un support indépendant destiné à être placé en contact étroit avec la surface souple à étudier. On peut, pour ce faire, prévoir un fourreau solidaire de cette surface dans lequel il est prévu d'introduire ce support indépendant. 5 Par ailleurs, il convient de souligner que l'invention ne se limite pas à l'appréhension d'un seul profil. En effet le but ultime de l'invention est la restitution d'une surface. Or une surface peut toujours s'analyser comme la juxtaposition de plusieurs bandes. En effet, une bande n'a pas nécessairement une forme rectangulaire. 10 En référence à la figure 2, une surface souple que l'on peut assimiler à une voile d'un bateau comporte un bord fixe BF. Perpendiculairement à ce bord fixe BF, est agencée dans la voile une pluralité de bandes B1, B2, B3, B4, B5 chacune comprenant plusieurs zones de mesures représentées par des croix. Chaque zone de mesure est équipée, selon 15 les impératifs requis soit d'un ou de capteurs axiaux, soit d'un ou de capteurs obliques, soit d'une pluralité de capteurs permettant d'estimer tant la flexion que la torsion. Le moyen de collecter les informations issues des différents capteurs ne pose pas de difficultés particulières à l'homme du métier car de nombreuses 20 solutions sont disponibles. - De plus, il ne s'agit pas là du coeur de l'invention. Toutefois, à titre d'exemple, une solution présentant ses propres avantages est maintenant exposée. Les différents capteurs d'une même bande sont reliés à un organe centralisateur tel qu'un microprocesseur. Ce microprocesseur assure la 25 conversion des signaux analogiques issus des capteurs en signaux numériques et configure ces derniers de sorte qu'ils soient adaptés à un protocole de transmission radio, le protocole Bluetooth par exemple. Il est donc raccordé à un émetteur, le récepteur correspondant étant disposé sur une structure rigide à proximité de la surface souple. De manière à alléger la quantité d'informations à 30 transmettre par l'émetteur, tout ou partie des calculs permettant de remonter à la flexion ou à la torsion à partir des signaux délivrés par les capteurs pouvant être réalisés par le microprocesseur. En ce qui concerne les capteurs, la tendance actuelle va dans le sens d'une détection optique. Toutefois, les mesures d'atténuation ont des limites 35 intrinsèques déjà évoquées. Les mesures spectrales présentent elles-aussi des limitations dues essentiellement à leur complexité. Il apparaît ainsi qu'une 2904409 7 solution avantageuse consiste à adopter des transducteurs électromécaniques de type magnéto-résistant, piézo-résistant, piézo-électrique ou piézo-capacitif. Un type particulier de capteur piézo-résistant qui trouve une application particulièrement intéressante dans le cadre de la présente invention est la jauge 5 de contrainte. A titre de rappel, si besoin était, une méthode de restitution du profil d'une bande en fonction de la flexion et de la torsion relevées en une pluralité de zones de mesures est maintenant détaillée. En référence à la figure 3 qui représente un secteur angulaire d'une 10 bande courbée régulièrement selon un angle au centre a, la courbure se détermine comme suit. L'arc de cercle apparaissant en pointillés figure le plan neutre ou plan médian de la bande d'épaisseur h ; il a un rayon r et une longueur L. Du fait de la courbure, le rayon externe de la bande, respectivement interne, a une longueur 15 de L+AL, respectivement L-AL. L'angle au centre s'exprime en fonction de la longueur d'une corde et de son rayon : a= Ur a= (L+AL)/(r+h/2) 20 En rapprochant les deux équations ci-dessus, on-obtient le rayon de courbure : r = h/(2AUL) A titre d'exemple numérique, pour une bande d'épaisseur h égale à 4 millimètres présentant un rayon de courbure de 20 mètres, la déformation 25 relative AUL vaut 104. La restitution du profil d'une bande entre deux zones de mesure voisines s'obtient en interpolant les courbures calculées à partir des déformations axiales relevées dans ces deux zones. La restitution du profil d'une bande à l'extérieur d'une des deux zones de mesure situées aux extrémités de la bande s'obtient 30 par extrapolation. Si le profil de la bande est ainsi estimé avec une bonne précision, sa position angulaire dans le plan d'un référentiel fixe orthogonal à son axe qui support le côté fixe de la bande n'est pas connue. Lorsque l'on considère une seule bande, cette situation ne présente pas d'inconvénient majeur. Par contre, 35 lorsque l'on cherche à reconstituer une surface formée de plusieurs bandes adjacentes, il est nécessaire de connaître la position angulaire des différents 2904409 8 profils par rapport à l'un de ces profils choisi arbitrairement comme référence. Ce positionnement angulaire peut être apprécié si les torsions des différentes bandes sont connues. En référence à la figure 4, la torsion d'une bande B s'analyse comme 5 l'écart angulaire 0 entre l'axe de son côté fixe AV et son axe transversal AT au niveau de la section considérée. La théorie des plaques minces de Love-Kirchoff donne la déformation linéaire relative AG/G à la surface d'une bande d'épaisseur h dans une direction orientée à 45 par rapport à l'axe de torsion. 10 En notant k la torsion qui est un rapport d'un angle à une longueur / OG/G = (h/2).k Pour un point situé à une distance D du côté fixe, l'angle de torsion 0 vaut : 0 = k.D = 2D.(OG/G)/h 15 A titre d'exemple numérique, pour une bande d'épaisseur 4 millimètres subissant une torsion de 3 à une distance D de 8 mètres, la déformation relative AG/G vaut 14.10-6. La torsion est ici mesurée selon une inclinaison à 45 mais il est possible de l'obtenir avec des inclinaisons différentes des capteurs obliques repérées DV 20 et DS dans la figure la. On définit un référentiel dont l'axe z est aligné avec un côté fixe d'une première bande, dont l'axe x est aligné avec une corde de la médiane de cette bande qui la croise en un point E et dont l'axe y qui est orthogonal aux deux autres axes passe également par le point E. 25 La première bande de largeur w présente une torsion 01 au droit du point E et une deuxième bande adjacente à la première, de même largeur que celle-ci, présente une torsion 02 au droit d'un point G situé sur sa médiane et dans le plan parallèle à l'axe z qui contient l'axe y. Alors, la distance d entre les points E et G projetée sur l'axe y vaut : :30 d = w/2.(sin0i+sin 02) En procédant pas à pas, on peut ainsi localiser les profils de différentes bandes dans l'espace. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leur caractère concret. II ne serait cependant pas possible de :35 répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un REVENDICATIONS 1) Bande souple comportant une pluralité de zones de mesure disjointes, l'une au moins de ces zones de mesure comprenant un capteur axial (CA11) antérieur figurant sur la face antérieure de cette bande pour en mesurer la déformation axiale selon son axe longitudinal (A)(), caractérisée en ce que l'une au moins de ces zones de mesure comprend un premier capteur oblique (CO13, CO14) figurant sur l'une des faces de cette bande pour en mesurer la déformation oblique selon une direction d'évaluation (DV) oblique par rapport audit axe longitudinal (AX). 2) Bande souple selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone de mesure comprenant ledit premier capteur oblique (CO11) comprend également un deuxième capteur oblique (CO12) figurant sur la même face pour en mesurer la déformation oblique selon une direction d'estimation (DS) distincte de ladite direction d'évaluation (DV). 3) Bande souple selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit axe longitudinal (AX) est la bissectrice desdites directions d'évaluation (DV) et d'estimation (DS). 4) Bande souple selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que l'angle entre ledit axe longitudinal (AX) et ladite direction d'évaluation (DV) est compris entre 22,5 et 67,5 . 5) Bande souple selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de mesure comprenant ledit capteur axial antérieur (CA11 ; CAl2) comprend un capteur axial postérieur (CA21 ; CA22) superposé audit capteur axial antérieur sur la face postérieure de :30 cette bande. 6) Bande souple selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits capteur axial antérieur (CAl2) et premier capteur oblique (CO13) figurent dans la même zone de mesure. 10 :35 2904409 11 7) Bande souple selon la revendication 6, caractérisée en ce que plusieurs zones de mesure comprennent chacune un capteur axial antérieur et un capteur oblique. 5 8) Bande souple selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites zones de mesure sont centrées sur ledit axe longitudinal (AX). 9) Bande souple selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisée en ce que l'un au moins desdits capteurs est une jauge de contrainte. 10) Surface souple, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux bandes souples conformes à l'une quelconque des revendications 15 précédentes.