Partie Spécifique - Partie B : Efforts supportés… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2022

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points)

INNOVATION TECHNOLOGIQUE ET ÉCO-CONCEPTION

Étude de l’implantation des ailes rigides OceanWings

Mise en situation

Alors qu'il constitue une ressource inépuisable en mer, le vent reste encore difficile à exploiter pour le transport maritime à grande échelle.

Energy Observer, en tant que navire expérimental, s'est fixé pour mission de tester toutes les solutions disponibles et prometteuses. Ainsi en 2019, le navire a testé un tout nouveau système: des propulseurs éoliens appelés OceanWings® (voir DT.S1). Ces propulseurs éoliens sont des voiles rigides escamotables semblables à des ailes d'avion. Elles sont installées, comme représentée sur la photo, sur les deux flotteurs du navire. Elles vont démultiplier les performances du navire en permettant:

d’accroître la vitesse, en complément des moteurs électriques;

de réduire les dépenses énergétiques, lorsqu'elles viendront soulager les moteurs électriques;

d’augmenter la production d'énergie pendant les navigations grâce à la production d'énergie hydrolienne (inversion des moteurs électriques en hydrogénérateurs).

Deux propulseurs éoliens sont implantés, un sur chaque flotteur. La liaison entre le flotteur et le propulseur doit:

supporter les efforts;

permettre la rotation des propulseurs autour de leur axe vertical;

permettre l'implantation des chaînes de puissance (rotation du propulseur éolien autour de son axe, affalage et réglage de sa courbure).

Partie B: Quels sont les efforts supportés par la liaison entre un propulseur éolien et un flotteur ?

Le DT.S2 représente une étude préliminaire de l'implantation du mât 4 d'un propulseur éolien dans un flotteur latéral du bateau:

le flotteur 7 et son bras de fixation 1 sont percés pour laisser passer le mât 4;

le support supérieur 2 et le support inférieur 3 servent à guider le mât dans le flotteur respectivement en A et B;

un chapeau 8 permet de bloquer la translation verticale du mât;

les supports 2 et 3 sont encastrés sur le flotteur par un collage adapté aux matériaux du navire (composite en fibre de carbone).

Afin de déterminer l'effort supporté par les pièces 2 et 3, la liaison est modélisée comme indiqué sur le DR.S1 par une liaison linéaire annulaire en A et une liaison rotule en B.

Rappel: un guidage est considéré comme court si le rapport entre la longueur du guidage $L$ et le diamètre $D$ est inférieur à 1,5 ($L/D > 1{,}5 \Rightarrow$ guidage long; $L/D < 1{,}5 \Rightarrow$ guidage court).

B.1

Justifier la modélisation de chacune des deux parties de la liaison représentée sur le DR.S1.

Compléter le tableau du bilan des actions mécaniques extérieures du DR.S1 pour l'action entre le support 3 et le mât 4 (au point B).

B.2

La masse de l'ensemble {voile + mât} est de $200\text{ kg}$, l'accélération de la pesanteur est de $9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$.

Calculer le poids de l'ensemble {voile + mât} et compléter dans le tableau DR.S1 la modélisation de l'action mécanique de la pesanteur (au point G).

Tableau DR.S1: Bilan des actions mécaniques extérieures (BAME)

Nom

Point

Résultante

Moment

x

y

z

x

y

z

Action de la pièce 2 sur 4

A

0

$Y_A$

$Z_A$

0

0

0

Action de la pièce 3 sur 4

B

Air sur aile

P

0

8000 N

0

0

0

0

Motorisation sur 4

I

0

0

0

Cm

0

0

Pesanteur

G

Schéma DR.S1 pour les tracés vectoriels des questions B.2 et B.3 (Échelle: $1\text{ cm} = 2000\text{ N}$):

B.2 (suite)

Tracer le vecteur correspondant à l'action mécanique de la pesanteur au point G.

B.3

L'incidence de l'aile par rapport au vent est prise dans le cas le plus favorable.

À partir des données fournies dans le bilan des actions mécaniques sur DR.S1, tracer le vecteur correspondant à l'action mécanique de l'air sur l'aile dans la vue correspondant au plan $Oxy$.

B.4

La simulation donne les résultats suivants pour les composantes des actions décrites en DR.S1:

$Y_A = -39000\text{ N}$, $Z_A = 1137\text{ N}$, $X_B = 2000\text{ N}$, $Y_B = 31000\text{ N}$, $Z_B = -1137\text{ N}$, $C_m = 3680\text{ N}\cdot\text{m}$.

À l'aide des résultats de simulation, calculer l'intensité de la résultante entre la pièce support supérieur 2 et le mât 4.

Préciser si c'est le poids de l'ensemble {voile + mât} ou l'action de l'air sur l'aile qui a le plus d'incidence sur cette intensité, justifier votre réponse.