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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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1. Géométrie sandwich
Si nous évoquons une structure sandwich (figure 1), le lecteur aura à l'esprit des structures en aluminium avec un cœur en nid d'abeille. Cependant, le spectre des combinaisons de matériaux, d'architectures et de dimensions est particulièrement large. Il intègre par exemple les tôles acier-polymère pour l'automobile, les skis en composites et bois, les structures tissées tridimensionnelles entre deux parements composites.
Le cadre de cet article se limite donc à l'échelle de la structure sandwich et les spécificités de chacun des matériaux constitutifs envisageables ne seront pas traitées.
Étant donné l'épaisseur de chaque parement t et l'épaisseur totale du panneau h, la fraction de peaux s'écrit :
Puisque la structure sandwich est utilisée le plus souvent pour sa légèreté, une caractéristique importante est la masse surfacique :
avec ρp et ρc respectivement les masses volumiques des matériaux constitutifs des parements et du cœur.
L'épaisseur relative du panneau est défini par h/l, où l est une dimension caractéristique d'essai (figure 2). Ce rapport de forme est une grandeur clef qui contrôle typiquement le choix du mode de déformation prédominant, que ce soit en rigidité ou en résistance.
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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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