Optimisation des paramètres du ressort en utilisant l'algorithme Bees pour le mécanisme de l'aile pliable

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21913 (2022) Citer cet article

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Dans cette étude, la conception des ressorts de torsion et de compression du mécanisme d’aile pliable utilisé dans le missile est considérée comme un problème d’optimisation. Une fois que le missile a quitté le tube, les ailes en attente fermées doivent être ouvertes et réparées dans un délai précis. L'étude vise à maximiser l'énergie emmagasinée par les ressorts afin que l'aile puisse s'ouvrir en un minimum de temps. Dans ce contexte, l'équation énergétique dans les deux publications est définie comme la fonction objectif du processus d'optimisation. Le diamètre du fil, le diamètre d'enroulement, le nombre d'enroulements et les paramètres de déflexion requis pour la conception du ressort ont été déterminés comme variables d'optimisation. Il existe des contraintes géométriques pour les variables dues aux dimensions du mécanisme et il existe également des contraintes de facteurs de sécurité dues aux charges auxquelles les ressorts sont exposés. L'algorithme Bees (BA) a été utilisé pour résoudre ce problème d'optimisation et réaliser la conception du ressort. Les valeurs d'énergie obtenues avec BA étaient meilleures que les valeurs obtenues avec l'étude de plan d'expérience (DOE) auparavant. Les ressorts et le mécanisme conçus avec les paramètres obtenus grâce à l'optimisation ont d'abord été analysés dans le programme ADAMS. Ensuite, des tests expérimentaux sont réalisés en intégrant les ressorts produits dans le mécanisme lui-même. À la suite des tests, il a été observé que l'aile s'ouvrait à environ 90 ms. Cette valeur est bien inférieure à l'objectif du projet de 200 ms. De plus, il n’y a qu’une différence de 16 ms entre l’analyse et les résultats expérimentaux.

Dans les avions et les véhicules marins, les mécanismes de pliage remplissent des tâches critiques. Ces systèmes sont utilisés dans les travaux de transformation et de conversion des avions pour améliorer les performances de vol et le contrôle. Selon le mode de vol, les ailes sont repliées et rouvertes de différentes manières pour réduire les effets aérodynamiques1. Cette situation peut être comparée aux mouvements d’ailes de certains oiseaux et insectes lors de vols et de plongées de routine2. De même, les planeurs se plient et se déplient dans les véhicules sous-marins pour réduire les effets hydrodynamiques et maximiser les performances de conduite3. Une autre tâche des mécanismes est d'apporter des avantages en termes de volume aux systèmes, tels que le repliement des hélices des hélicoptères pendant le stockage et le transport4. Les ailes des missiles sont également repliées pour réduire l'espace de stockage. De cette façon, davantage de missiles peuvent être placés dans une zone plus petite du système de lancement5. Les composants utilisés efficacement lors du pliage et du dépliage sont généralement des ressorts. Au moment du pliage, de l'énergie y est stockée, libérée au moment du déploiement. Grâce à leur structure flexible, l'énergie stockée et libérée devient égale. Les ressorts sont principalement conçus pour le système, et cette conception pose un problème d’optimisation6. Car, bien que cela inclut différentes variables telles que le diamètre du fil, le diamètre de l'enroulement, le nombre d'enroulements, l'angle d'hélice et le type de matériau, il existe également des critères tels que la minimisation de la masse, du volume, de la répartition des contraintes ou l'obtention d'une énergie maximale7.

Cette étude révèle la conception et l'optimisation des ressorts du mécanisme d'aile pliable utilisé dans un système de missile. À l'intérieur du tube de lancement avant le vol, les ailes restent repliées sur la surface du missile, et après être sorties du tube, elles s'ouvrent dans un délai précis et restent verrouillées sur la surface. Ce processus est essentiel au bon fonctionnement du missile. Dans le mécanisme de pliage conçu dans l'étude, l'ouverture du battant est réalisée par le ressort de torsion, tandis que l'opération de verrouillage est réalisée par le ressort de compression. Afin de concevoir des ressorts adaptés, il est nécessaire d’effectuer un processus d’optimisation. Il existe différentes applications dans la littérature dans le cadre de l'optimisation des ressorts.

Paredes et al.8 ont déterminé maximiser le facteur de durée de vie maximale en fatigue comme fonction objectif pour la conception du ressort hélicoïdal et ont utilisé l'approche quasi-Newton comme méthode d'optimisation. Les variables de l'optimisation ont été déterminées comme le diamètre du fil, le diamètre de l'enroulement, le nombre de tours et la longueur du ressort. Un autre paramètre dans la conception des ressorts est le matériau utilisé dans sa production. C’est pourquoi il est pris en compte dans les études de conception et d’optimisation. Zebdi et al.9 ont fixé l'objectif d'une rigidité maximale et d'un poids minimum dans la fonction objectif dans une étude où le facteur poids est essentiel. Ils ont déterminé le matériau du ressort et ses propriétés géométriques comme variables dans ce contexte. Ils ont utilisé l’algorithme génétique comme méthode d’optimisation. Dans le secteur automobile, le poids des matériaux est efficace dans de nombreux domaines, depuis les performances du véhicule jusqu'à la consommation de carburant. La réduction du poids en optimisant les ressorts hélicoïdaux utilisés pour la suspension est une étude célèbre10. Bakhshesh et Bakhshesh11 ont déterminé les matériaux tels que le verre E, le carbone et le Kevlar comme variable dans leur travail dans l'environnement ANSYS et visaient un poids minimum et une capacité de tension maximale parmi les différentes conceptions composites pour les ressorts de suspension. Les procédés de production sont essentiels dans la conception des ressorts composites. Par conséquent, dans le problème d’optimisation, différentes variables, telles que les méthodes de production, les étapes effectuées au cours du processus et la séquence de ces étapes entrent en jeu12,13. La fréquence propre du système doit être prise en compte dans les ressorts conçus pour les systèmes dynamiques. Il est recommandé que la première fréquence propre du ressort soit au moins 5 à 10 fois supérieure à la fréquence propre du système pour éviter toute résonance14. Taktak et al.7 ont choisi de minimiser la masse du ressort et de maximiser la première fréquence propre comme fonction objectif dans la conception du ressort hélicoïdal. Ils ont utilisé les méthodes d'algorithme Patternsearch, Interior point, Active Set et Genetic dans l'outil d'optimisation Matlab. L’une des parties des études de conception de ressorts est l’étude analytique, et la méthode des éléments finis est répandue dans ce domaine15. Patil et al.16 ont développé une technique d'optimisation pour réduire le poids du ressort de compression hélicoïdal en utilisant le processus analytique et ont vérifié les équations analytiques avec la méthode des éléments finis. Un autre critère qui augmentera l'utilité de la source est l'augmentation de l'énergie qu'elle peut stocker. Cette situation garantit également que le ressort conserve son utilité sur de longues périodes. Rahul et Rameshkumar17 visaient à réduire le volume du ressort et à augmenter l'énergie de déformation dans la conception des ressorts hélicoïdaux utilisés dans l'automobile. Ils ont également utilisé des algorithmes génétiques dans leurs études d’optimisation.