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RÉSUMÉ
Cet article résume et illustre - par un exemple typique – les principes qui fondent le dimensionnement des panneaux de caisson de voilure d’un avion de transport civil. Partant des charges de flexion et effort tranchant en vol, les méthodes de prédimensionnement des panneaux intrados, extrados et longerons sont abordées selon les critères de résistance statique et de stabilité. La démarche ainsi présentée peut s’appliquer à une grande variété de structures légères certifiées.
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Yves GOURINAT : Professeur de mécanique des structures Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace (ISAE-SUPAERO), Toulouse, France
INTRODUCTION
Depuis plus d’un demi-siècle, les structures d’avions de transport sont essentiellement à revêtement travaillant et constituent même des coques autoporteuses. Ce constat vaut bien évidemment pour le caisson principal de voilure, qui constitue l’élément porteur de l’aile. Ce caisson est schématiquement constitué d’un longeron avant – sur lequel s’appuient les surfaces aérodynamiques du bord d’attaque, lesquelles sont le plus souvent mobiles –, d’un longeron arrière – support des volets et ailerons –, reliés par les panneaux extrados et intrados. Ces deux derniers panneaux – courbes – constituent à la fois les semelles supérieures et inférieures du caisson de voilure et les surfaces aérodynamiques qui génèrent l’essentiel de la portance de l’aile.
En plus de son rôle structural et aérodynamique majeur, le caisson assume, de par son volume, la fonction de réservoir principal de carburant. Cette caractéristique volumique, issue de l’épaisseur structurale et aérodynamique de l’aile, est porteuse d’avenir pour les architectures futures comme l’aile volante, la place disponible pouvant alors être utilisée pour la charge utile.
Concernant le dimensionnement structural du caisson principal de voilure, plusieurs spécifications, issues de la réglementation, sont à considérer. Le présent article est centré sur les coques tant pour ce qui est de l’épaisseur de peau (critère de tenue structurale) que de la stabilité (technologie de raidissement). Les éléments annexes internes (bielles, nervures, traverses) ne sont pas explicitement retenus, considérant qu’ils sont ajoutés uniquement pour que la coque porteuse puisse précisément assumer sa fonction structurale.
L’objectif de cet article est donc de résumer les méthodes de prédimensionnement d’un caisson de voilure, en s’appuyant sur un exemple typique d’avion de transport civil. Partant des charges en vol – la référence étant le facteur de charge limite (CL) – les panneaux sont abordés les uns après les autres pour parvenir à un dimensionnement à l’emplanture (section critique) très proche de l’optimal.
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Critères de dimensionnement à l’emplantureArticle inclus dans l'offre
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1. Charges appliquées à la voilure
1.1 Charges extérieures
L’aile d’un avion de transport subsonique comporte un certain nombre de surfaces mobiles au bord d’attaque (becs déployables) et au bord de fuite (volets et ailerons). La portion structurale fixe, centrale, constitue le caisson primaire de voilure (figure 1).
En coupe selon une section droite (nervure) ce caisson est délimité par quatre panneaux :
-
les longerons avant et arrière ;
-
les panneaux intrados et extrados.
Il épouse le profil de l’aile sur 60 % de la corde environ (figure 2).
Ce caisson assume donc bien deux fonctions technologiques :
-
la délimitation géométrique de la forme de la voilure dans sa partie centrale, comprenant le profil aérodynamique externe et l’inclusion d’éléments internes comme le carburant ou certains équipements ;
-
la tenue structurale primaire de la voilure.
Cet article se concentre sur la seconde fonction, en observant déjà à ce niveau que le caisson fonctionne comme une poutre en I dans laquelle les panneaux intrados et extrados jouent le rôle des semelles, et les longerons constituent l’âme de la section droite.
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On considère une demi-voilure (par exemple la demi-voilure gauche évoquée figure 3) soumise à la charge limite de référence en ressource rafale ou manœuvre, symétrique positive. C’est d’ailleurs la symétrie qui permet de se limiter à une demi-voilure.
Les hypothèses de prédimensionnement, qui peuvent paraître restrictives mais sont en réalité très représentatives, consistent à privilégier les flux de flexion dans la voilure et à calculer la section critique de l’emplanture, correspondant à l’interface entre le caisson central (inclus dans le fuselage, de géométrie...
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BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Documents de certification CS 25 et FAR 25 http://easa.europa.eu/document-library/certification-specifications http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?c=ecfr&sid=be6ffa6d87343c75e7d49e911c95ab06&rgn=div5&view=text&node=14 :1.0.1.3.11&idno=14
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Association aéronautique et astronautique de France (3AF) http://www.3af.fr/events
Académie de l’air et de l’espace (AAE) http://www.academie-air-espace.com/event/newList.php
Royal Aeronautical Society http://aerosociety.com/Events
Council of European Aerospace Societies (CEAS) http://www.ceas.org/calendar.php
American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) https://www.aiaa.org/EventsLanding.aspx?id=79
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