Structures en matériaux composites stratifiés

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 :

• globalement homogène du point de vue macroscopique (pour un volume élémentaire, les caractéristiques macroscopiques sont les mêmes) ;

• 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 0^o et 50 % de fibres à 90^o aura alors des caractéristiques spécifiques deux fois plus faibles que celles du matériau unidirectionnel. S'il existe en plus des efforts à 45^o et – 45^o (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 0^o, 45^o, – 45^o et 90^o, 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 0^o, 45^o, – 45^o et 90^o. 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.