Tolérance aux dommages d'impact des structures composites aéronautiques

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l’industrie grâce à leur rapport performance/masse élevé. Cela est évidemment particulièrement vrai en aéronautique et en aérospatiale au vu de l’importance cruciale du critère masse de telles structures. Ce rapport performance/masse élevé est dû à l’utilisation de matériaux ayant des caractéristiques mécaniques spécifiques élevées, tel que le carbone, le verre, le Kevlar ou le Zylon. Ce type de matériau présente néanmoins l’inconvénient majeur d’être fragile et doit donc être utilisé en mélange avec un matériau moins fragile de type résine, tel que l’époxy, le PEEK ou le PPS. C’est le concept de base des composites qui va être d’adjoindre à un matériau de renfort performant et fragile, typiquement sous la forme de fibres plus ou moins longues selon les applications, à une matrice moins performante mais moins fragile, typiquement une résine. N’oublions pas néanmoins qu’il se crée alors une interface entre ces deux matériaux qui jouera également un rôle important sur le comportement global du composite.

La structure même du composite est donc plus complexe qu’un matériau standard plus ou moins homogène, de type métallique, et impose alors une conception à part entière. La conception d’une structure composite entraîne alors de concevoir en même temps un matériau et une structure ; c’est la différence fondamentale entre la conception d’une structure métallique et d’une structure composite. Cette spécificité du composite impose également une modification des critères de dimensionnement et en particulier des critères de justification à la tolérance aux dommages, ce point fera l’objet de la suite de cet article.

Un autre point important des structures composites est la possibilité d’obtenir en une seule fois (one shot) des formes complexes, grâce par exemple à la fabrication couche par couche et l’utilisation de moules et contre-moules ou à partir de préformes sèches. L’avantage est alors de diminuer la masse et la complexité de montage de la structure en diminuant le nombre de pièces et de vis ou rivets. On peut citer par exemple la dérive du transporteur Tristar (Lockheed-Étas-Unis) qui est composé de 175 éléments et 40 000 rivets avec une construction classique et de 18 éléments et de 5 000 rivets avec une construction composite  . Encore une fois, cela permet des gains de masse en diminuant le nombre de pièces et d’éléments d’assemblage, mais oblige, dans le même temps, à un processus de conception plus complexe et à intégrer, en même temps, la conception...