Étude expérimentale et numérique d’impacts sur structures : application aux pales d’hélicoptères

Experimental and numerical study of impacts on structures: application to helicopter blades

• Auteur / Autrice : Julien Aubry
• Direction : Jean-François Ferrero, Steven Marguet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Hélicoptères

Mots clés libres

Impact

Modelisation elements finis explicite

Interfaces

Essais dynamiques

Résumé

En vol, les pales d’un hélicoptère doivent résister à l’ensemble de l’environnement qui se présente à elles, notamment les impacts dont la conséquence peut être critique pour l’appareil. Les pales sont des structures composites de type caisson fermé, avec une peau en tissu composite, un longeron en unidirectionnel composite, une protection métallique en bord d’attaque et une mousse de remplissage polyuréthane. L’objet de la thèse est d’améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu lors des impacts sur le bord d’attaque des pales d’hélicoptères, dans le but d’intégrer la tolérance aux dommages dans la phase de conception des pales. En s’appuyant sur des travaux expérimentaux, les mécanismes d’endommagement des pales soumises à des impacts frontaux sont d’abord identifiés jusqu’à des énergies d’impact de 1 kJ. A partir de ces observations, une stratégie de modélisation éléments finis explicite d’impact sur pale est proposée. Les matériaux constitutifs et les interfaces de la pale sont caractérisés en quasistatique ainsi qu’en dynamique à des taux de déformation représentatifs des conditions d’impact. Les propriétés du modèle sont identifiées par méthode inverse et le modèle est ensuite validé à l’échelle de l’éprouvette. Une étude à la fois expérimentale et numérique est alors conduite sur l’influence du design d’une pale sur sa réponse à l’impact. Un essai d’impact sur une pale arrière réelle est finalement réalisé, de manière à tester l’influence des effets échelles sur la réponse à l’impact des pales et de valider la représentativité du modèle développé à l’échelle du tronçon sur un cas concret.

In flight, helicopter blades must be able to withstand all the environmental hazards they are confronted to, including impacts which can be critical for the aircraft. Blades are box beam structures, with a skin made of woven composite plies, a spar in unidirectionnal composite, a metallic protection on the leading edge and a polyurethane foam core. The purpose of the study is to improve the understanding of the phenomena taking place during an impact on the leading edge of helicopter blades, so as to include damage tolerance to the design phase of the blades. First of all, damage mechanisms of blades impacted on their leading edge are identified from experimental results of impacts for energies up to 1 kJ. From those observations, an explicit finite element modelling strategy for the normal impacts of helicopter blades is developed. Constitutive materials and interfaces of the blade are tested both with quasistatic and dynamic tests for strain rates consistent with the impact load case. Model properties are identified by reverse engineering and the model is validated at the scale of the sample. Both an experimental and a numerical study are carried out on the influence of the design of the blade on its impact response. An impact test on a complete rear blade is finally performed, so as to test the influence of the scale effects on the impact response of the blades and to validate the model representativeness from the section to the real structure.