Présentation
RÉSUMÉ
Cet article propose un socle de connaissances des structures composites stratifiées. Les principaux matériaux d'usage sont présentés, ainsi que leurs déclinaisons commerciales et les principaux moyens de mise en oeuvre. Les méthodes de prédimensionnement usuelles se basant sur la théorie des stratifiés classiques sont développées : calcul des contraintes dans les plis, critères de rupture associés, flambement, calcul d'assemblages. Les questionnements plus avancés comme l'impact, la fatigue, les endommagements ou le vieillissement sont aussi abordés.
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A knowledge base on laminated composite structures is offered by this article. The main materials used are presented, as well as their commercial variations and their major implementation means. The usual pre-design methods based on the theory of traditional laminates are developed: the calculation of stresses in the folds, associated criteria of rupture, buckling and joining. More advanced issues such as impact, fatigue, damage or aging are also dealt with.
Auteur(s)
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Bruno CASTANIÉ : Professeur des Universités - INSA Toulouse, Institut Clément Ader
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Christophe BOUVET : Professeur - ISAE Supaéro, Institut Clément Ader
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Didier GUEDRA-DEGEORGES : Vice-président, head of technical capabilities center « Structure Engineering, production & aeromechanics » - EADS Innovation Works
INTRODUCTION
Les structures composites sont de plus en plus utilisées dans le domaine aérospatial mais aussi dans les domaines ferroviaire, naval, automobile et de loisir. La nature de ces matériaux fait qu'ils ont une très grande adaptabilité à chaque domaine et il est possible de choisir pour chaque structure le meilleur compromis coût/poids/tenue mécanique. On a l'habitude de dire qu'en composite « le matériau ne préexiste pas à la structure » et chaque design nécessite donc aussi d'associer la méthode de fabrication la plus adaptée aux contraintes économiques. Il existe une infinité de « composites » qui présentent toutefois tous la particularité de faire cohabiter plusieurs phases qui ne se mélangent pas à l'intérieur du matériau. Ce qui fait que, suivant les cas, les propriétés peuvent être pilotées par une phase plutôt qu'une autre à l'échelle de la structure. Par exemple, dans le cas d'ensembles fibres plus matrices auxquels nous allons restreindre l'article, si l'on considère un ensemble de fibres unidirectionnelles, c'est-à-dire orientées toutes dans la même direction, assemblées par une résine, on est en présence d'un pli unidirectionnel. Ce matériau présente d'excellentes propriétés en traction dans le sens des fibres, mais dans cette même direction, la résistance en compression est plus faible car le scénario de rupture est piloté par la résine. De plus, ce matériau est :
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globalement homogène du point de vue macroscopique (pour un volume élémentaire, les caractéristiques macroscopiques sont les mêmes) ;
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anisotrope (les caractéristiques dépendent de la direction considérée).
Il ne faut pas oublier que ces matériaux ne résistent correctement que dans une seule direction : celle des fibres. S'il existe des sollicitations équivalentes dans les directions x et y, il faudra disposer des fibres dans ces deux directions. Sachant que les fibres orientées suivant l'axe x n'amènent quasiment aucune résistance suivant l'axe y, un matériau comportant 50 % de fibres à 0o et 50 % de fibres à 90o aura alors des caractéristiques spécifiques deux fois plus faibles que celles du matériau unidirectionnel. S'il existe en plus des efforts à 45o et – 45o (cas des directions principales en cisaillement), il faudra disposer des fibres dans ces directions et cette fois les caractéristiques spécifiques seront presque divisées par quatre. Lorsque l'on a disposé des fibres avec le même pourcentage dans les directions 0o, 45o, – 45o et 90o, le matériau résultant a un comportement quasi isotrope dans le plan.
En fait, dans la réalité les structures sont en général soumises à des efforts très différents suivant les directions et il ne sera donc pas nécessaire de disposer autant de fibres dans les quatre directions 0o, 45o, – 45o et 90o. Le travail de l'ingénieur consistera à choisir le drapage optimisé permettant de résister aux sollicitations extérieures. C'est cette optimisation du drapage qui permettra d'obtenir des structures présentant un rapport performance/masse élevé.
Cet article a donc pour objectif de présenter un socle commun de connaissances des structures composites stratifiées qui doit permettre de comprendre les particularités de leur comportement. Il présente aussi les méthodes de prédimensionnement les plus classiques des jonctions et en flambement.
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
laminates | manufacturing | sizing | transportation | leisure
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2004 par Jean-Jacques BARRAU, Didier GUEDRA DEGEORGES
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
4. Plaques multicouches
4.1 Présentation
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Structures minces
En superposant des couches dans lesquelles les fibres sont orientées suivant des directions préférentielles, il est possible de résister à des efforts complexes dans le plan. Par contre, des efforts s'exerçant perpendiculairement au plan des fibres ne peuvent être repris que par la matrice (on ne considère pas ici les composites avec des renforts transverses tels que des clous ou des coutures). Les structures pour lesquelles l'emploi des composites est très intéressant sont les structures minces (l'épaisseur est faible devant les dimensions caractéristiques de la structure).
Les exemples les plus courants sont les plaques, les coques minces, les poutres à section mince (tube, section en I, en L, etc.). Toutes ces structures peuvent être considérées comme un assemblage de plaques. Il est ainsi possible de calculer les efforts s'exerçant sur chaque élément. Il faut ensuite, à partir de ces efforts globaux, déterminer les contraintes dans chaque couche pour connaître la résistance et la rigidité de la structure.
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Orientation des fibres
Les résultats du paragraphe 3.2 montrent que des fibres unidirectionnelles noyées dans une matrice ne présentent une résistance importante qu'à des efforts de traction ou de compression dans le sens des fibres. Lorsqu'il s'exerce dans le plan des efforts suivant plusieurs directions, il est nécessaire de disposer les fibres suivant plusieurs orientations.
Considérons le cas général où s'exercent des contraintes normales σ x et σ y et des contraintes de cisaillement τ xy .
Pour résister aux contraintes normales σ x et σ y , il convient d'orienter les fibres dans les directions Ox, Oy (figure 14 a et b ).
La contrainte de cisaillement τ xy (τ...
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Plaques multicouches
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BARRAU (J.-J.), LAROZE (S.) - Calcul des structures en matériaux composites. - Eyrolles et Masson (1987).
-
(2) - GAY (D. ) - Matériaux composites. - Hermes/lavoisier (2005).
-
(3) - BERTHELOT (J.M.) - Matériaux composites : comportement mécanique et analyse des structures. - Éditions Technique et documentation (1999).
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(4) - KASSAPOGLOU (C.) - Design and analysis of composite structures. - Wiley (2010).
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(5) - NIU (M.C.Y.) - Composite airframe structures. - Hong-Kong Conmilit Press LTD (1992).
-
(6) - ZAGAINOV (G.I.), LOZINO-LOZINSKY (G.E.) - Composite materials in aerospace design. - Chapman et Hall (1995).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Physique du moulage des composites avancés : aspects théoriques.
-
Applications marines des matériaux composites - Cas des voiliers...
ANNEXES
Composite Sciences and Technolology (Elsevier)
Composite Part A (Elsevier)
Composite Part B (Elsevier)
Composite Structures (Elsevier)
Applied Composite Materials (Springer)
Journal of Composite Materials (Sage Publications)
HAUT DE PAGE
Salon : JEC Composites http://www.jeccomposites.com
Congrés : Journées Nationales sur les Composites, tous les 2 ans, AMAC, http://www.amac-composites.org/
International Conference on Composite Structures, ICCS Porto, tous les 2 ans
International Conference on Composite Materials, ICCM, tous les 2 ans, http://www.iccm-central.org/
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