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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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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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6. Exemple de dimensionnement
6.1 Sandwich à cœur de mousse métallique
Un jeu de 12 structures sandwich avec un cœur d'empilements aléatoires de sphères creuses d'acier inoxydable 314 de densité 400 g/L et des parements symétriques en acier inoxydable 314 est testé (figure 14). L'ensemble, élaboré par la compagnie Plansee (Reutte, Autriche) est composé des combinaisons de 3 épaisseurs de parements (0,4, 1 et 1,5 mm) et de 4 épaisseurs de cœur (approximativement 14, 19, 24, et 28 mm). Les parements sont brasés au cœur. Les sections transverses des structures sont alignées. Les dimensions des structures sont présentées dans un plan de la masse d'une poutre de 50 mm par 300 mm et de l'épaisseur de cœur c.
HAUT DE PAGE6.1.1.2 Conditions de chargement
Les structures sont chargées aussi bien en flexion 4 points sous forme de poutres qu'en indentation sous forme de plaques.
Les poutres découpées par électro-érosion à fil ont une dimension de 50 mm par 300 mm et sont sollicitées avec un écart de 100 mm entre appuis internes et de 210 mm entre appuis externes. Les dimensions ont été choisies pour faire apparaître différents modes d'endommagement selon les dimensions des structures.
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - ALLEN (H.G.) - Analysis and design of structural sandwich panels - Pergamon (1969).
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(3) - ASHBY (M.F.), EVANS (A.G.), FLECK (N.A.), GIBSON (L.J.), HUTCHINSON (J.W.), WADLEY (H.N.G.) - Metal Foams : A design guide - Butterworth-Heinemann (2000).
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(5) - ZENKERT (D.), Nordic Industrial Fund - The handbook of sandwich construction - EMAS publishing (1997).
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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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