Modélisation des structures composites stratifiés élémentaires
Modélisation des structures en matériaux composites stratifiés

Dans le domaine de la conception et de la simulation des structures, les matériaux composites à fibres longues et à matrice organique (CMO) occupent une place à part. Désormais bien connus de plusieurs secteurs d’activités précurseurs tels que le spatial, l’aéronautique ou encore le naval, ces matériaux sont utilisés dans des secteurs complémentaires de la mobilité, de la production et du stockage d’énergie, d’ouvrages d’infrastructures et d’architectures. En effet, si au premier regard ce sont leurs propriétés de rigidité et de résistance qui attirent les bureaux d’études pour concevoir des structures allégées, aujourd’hui les matériaux composites sont employés plus largement au regard de leur capacité à répondre à diverses exigences fonctionnelles issues des cahiers des charges. En effet, les nombreuses combinaisons de fibres, dominées par le verre et le carbone, de polymères thermodurcissables et thermoplastiques ou encore de mixité avec divers matériaux de type bois, mousses ou métaux en font de très bons candidats pour développer des structures performantes et durables. Leurs propriétés customisables les rendent compatibles à des conditions extrêmes de forts chargements mécaniques, de fatigue cyclique ou à des milieux ambiants sévères (gaz, fluides et exposition aux radiations) où leur bonne résistance à la corrosion permet d’étendre des durées de vie ou espacer les opérations de contrôle et de maintenance. Enfin, leurs procédés de fabrication leur confèrent également d’autres atouts tels que la possibilité de réaliser des structures de grandes dimensions ou l’aptitude à épouser des formes complexes bénéfiques pour l’aérodynamisme par exemple. Ils constituent également des leviers pertinents dans le cadre de démarches d’éco-conception pour limiter l’impact environnemental sur les phases de fabrication, d’exploitation ou de potentielle revalorisation en fin de vie via diverses technologies innovantes ayant passé le stade de preuve de concept.

En contrepartie, la constitution hétérogène des matériaux composites, ainsi que leurs propriétés anisotropes sensibles aux milieux ambiants et au temps, participent à leur complexité de comportements, rendant leur conception et leur dimensionnement réservées à des spécialistes. Dans le processus de développement de structures composites, la modélisation tient un rôle important. Elle permet d’appréhender des comportements complexes en commençant par l’échelle du coupon élémentaire utilisé pour la caractérisation des lois de comportements, mais aussi des échelles de l’éprouvette technologique ou de la structure elle-même permettant de valider des exigences techniques et fonctionnelles (exemple : singularité géométrique de type trou, courbure, renfort, etc., ou des assemblages composites ou hybrides entre composants ou des zones d’interfaces avec l’environnement).

Les modélisations à mettre en place doivent alors retranscrire chacun de ces comportements de l’échelle des constituants (de 5 à 10 micromètres), en passant par celle du pli (quelques dixièmes de millimètre) et du stratifié (quelques millimètres à centimètres) pour finalement décrire les comportements d’une structure complexe de quelques centimètres à plusieurs mètres.

Cet article a donc pour objectif de présenter les points spécifiques à la démarche de modélisation des structures en composites stratifiés permettant de passer de l’échelle élémentaire à celle de la structure complexe. Il illustre aussi un panorama de quelques méthodologies de modélisation au travers de rappels théoriques et de trois cas d’applications composite (plancher, réservoir de stockage de gaz haute pression, échelle) permettant d’illustrer concrètement l’approche.