Bibliographie & annexes
Présentation
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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Sandwich panels, due to their high stiffness versus lightness ratio are used more and more in high performance products. In order to design theses panels with the most appropriate dimensions and material combinations, relevant mechanical properties must be well understood. This article presents a certain number of mechanical properties which characterize these types of panels, focusing on experimental characterisations, predictive models and design rules.
Auteur(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 :
-
un matériau de cœur, également dénommé matériau d'âme, léger et ne nécessitant que de faibles propriétés mécaniques ;
-
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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KEYWORDS
mechanical properties | damage | materials | sandwich panels | experimental tests | stiffness
DOI (Digital Object Identifier)
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Absorption d'énergie3. Résistance
La mise en évidence des modes d'endommagement utilise souvent l'évolution de plusieurs paramètres en fonction de la déflexion de la structure : la charge totale imposée à la structure, un paramètre d'épaisseur (différence entre le déplacement des appuis et la déflexion maximale de la poutre) et le module de décharge.
3.1 Plastification des peaux
L'endommagement par plastification des peaux intervient lorsque les parements endurent une déformation irréversible. Il peut facilement être prédit puisque la déformation maximale dans les parements se situe au plus loin de la fibre neutre du sandwich. Ce mode d'endommagement n'est pas catastrophique grâce à l'écrouissage progressif du matériau constitutif des parements.
Si le matériau constitutif des parements peut supporter des grandes déformations et présente un écrouissage, alors la résistance de la structure augmentera régulièrement avec l'endommagement. Ce mode d'endommagement sera alors stable pour un chargement donné. En augmentant la déflexion, un autre mode d'endommagement deviendra prépondérant et la rupture pourra apparaître soudainement. Ainsi, quand la plastification des peaux est le premier mode d'endommagement, un autre mode est souvent responsable de la rupture.
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L'endommagement par plastification des peaux apparaît entre les 2 appuis supérieurs ; le moment de flexion y est maximal. La force critique correspondante est celle qui engendre une flèche suffisante pour que la déformation en surface de la structure soit égale à la limite élastique en déformation du matériau constitutif des peaux.
La force critique correspondant à ce mode est donnée par :
Le cœur est supposé rester dans le domaine élastique et
...
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Résistance
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ASHBY (M.F.) - Hybrid Materials to Expand the Boundaries of Material-Property Space - Journal of the American Ceramic Society, 94(29018) : s3-s14 (2011).
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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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(4) - ZENKERT (D.), SHIPSHA (A.), PERSSON (K.) - Static indentation and unloading response of sandwich beams - Composites Part B : Engineering, 35(6-8) : 511-522 (2004).
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(5) - ZENKERT (D.), Nordic Industrial Fund - The handbook of sandwich construction - EMAS publishing (1997).
-
(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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