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RÉSUMÉ
Les structures sandwich, de par leur capacité à allier rigidité en flexion et légèreté, sont de plus en plus utilisées. Afin de choisir la structure optimale, il est essentiel de comprendre l'influence des différents paramètres (matériaux et dimensions) sur les propriétés de service mais aussi sur les mécanismes d'endommagements. Cet article détaille un certain nombre de propriétés mécaniques qui caractérisent ce type de panneaux, ainsi que les moyens expérimentaux qui permettent de les identifier.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre LHUISSIER : Chercheur CNRS au laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et des Procédés Grenoble Université
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Laurent LASZCZYK : Docteur-Ingénieur en Science et Ingénierie des Matériaux - Ingénieur R & D, Constellium
INTRODUCTION
Dans de nombreuses applications telles que l'aéronautique, le ferroviaire ou le bâtiment, le rapport entre rigidité mécanique en flexion et masse est primordial. Lorsqu'il s'agit de composants plats, la structure sandwich est une solution très pertinente. Cette structure consiste à associer deux matériaux différents :
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un matériau de cœur, également dénommé matériau d'âme, léger et ne nécessitant que de faibles propriétés mécaniques ;
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deux peaux, également dénommées parements ou semelles, nécessitant de bonnes propriétés mécaniques afin de contribuer à l'inertie de flexion.
L'insertion du matériau de cœur léger entre les deux parements permet une augmentation de l'épaisseur tout en limitant la prise de masse. En outre, le positionnement des parements très rigides au plus loin du plan médian permet de maximiser le moment d'inertie et donc la rigidité en flexion. Dans certains cas, des propriétés fonctionnelles sont aussi recherchées telles que l'absorption d'énergie lors de chocs. Le choix du matériau de cœur permet alors de satisfaire ce type de cahier des charges multifonctionnel, notamment par l'utilisation de matériaux architecturés (par exemple des mousses, treillis, tôles gaufrées). C'est en tenant compte de ces spécifications structurales et fonctionnelles que doit se faire dans une approche intégrée le choix des matériaux constitutifs et des paramètres géométriques.
Cet article détaille un certain nombre de propriétés mécaniques qui caractérisent ce type de panneaux, ainsi que les moyens expérimentaux qui permettent de les identifier.
Les notations et leurs définitions sont explicitées en page 18.
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7. Conclusions et perspectives
Les principales propriétés mécaniques recherchées par l'utilisation de structure sandwich, ainsi que les modes d'endommagement, ont été abordées dans cet article. Pour chaque propriété, les essais expérimentaux et les expressions analytiques sont détaillés. Ainsi la prédiction des performances de ces panneaux sandwich en fonction du choix des matériaux et des paramètres géométriques permet de concevoir sur mesure des solutions adaptées à chaque cahier des charges.
Le surcoût associé à la fabrication des matériaux de cœur (souvent poreux ou alvéolaires), ainsi qu'à l'assemblage et la mise forme, ont pendant longtemps limité son utilisation à des marchés de niche comme les applications militaires, spatiales ou les articles de sport. Nous assistons aujourd'hui à une démocratisation massive de ce type de solution composite, tout d'abord dans le secteur du transport, mais aussi dans le bâtiment avec des volumes proches. Les matériaux les plus utilisés sont les composites à fibres longues (par exemple des fibres de verre dans une matrice polyuréthane) et les alliages d'aluminium, associés à des matériaux de cœur cellulaires de type nid d'abeille ou mousse expansée en polypropylène ou aluminium. Les constructeurs automobile et ferroviaire se tournent vers ces structures pour gagner en masse et réduire leur consommation énergétique. Les applications du bâtiment sont aussi attirées par la réduction de masse qui facilite l'installation, mais aussi par les performances d'isolation et de durée de vie (en corrosion par exemple). Les leviers permettant de supporter le surcoût généré sont le durcissement des normes énergétiques et écologiques, et le retour sur investissement à long terme grâce à des performances augmentées.
Plus généralement, la tendance est à la radicalisation des cahiers de charges avec des contraintes souvent antagonistes. Ceci nécessite le développement et l'utilisation de structures multi-matériaux. Seuls les degrés de liberté supplémentaires engendrés par la prise en compte de plusieurs phases et de leur arrangement peuvent permettre d'atteindre les compromis de performances souhaités.
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - ANDREWS (E.W.), MOUSSA (N.A.) - Failure mode maps for composite sandwich panels subjected to air blast loading - International...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
CES Selector 2010, Granta Design Limited, Rustat House, 62 Clifton Road, Cambridge CB1 7EG, United Kingdom
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ASTM C393 (2006), Test Method for Core Shear Properties of Sandwich Constructions by Beam Flexure.
ASTM D7250 (2006), Practice for Determining Sandwich Beam Flexural and Shear Stiffness.
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