Approche multi-échelle pour la prédiction de la tenue d'une aile caisson dédiée à l'aviation légère : expérimentation et simulation

Multi Scale Approach for the Prediction of the Hollow Box Wing Strength Dedicated to Light Aviation : Experimental and Simulation

• Auteur / Autrice : Clément Fleuret
• Direction : Jean-Claude Grandidier, Anne-Sophie Andreani, Eric Lainé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 26/05/2016
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CRITT Matériaux Poitou-Charentes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : António J. M. Ferreira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Cinquin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Ferrero, Pascal Casari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Déformations (mécanique)

Modélisation tridimensionnelle

Structures en nid d'abeille

Matériaux -- Détérioration

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Composites à fibres de carbone

Ailes volantes

Mots clés libres

Liaison T

Corrélation numérique-expérimental

T-bond

Numerical-experimental correlation

Résumé

Les ailes d’avion sont composées d’une part croissante de pièces composites. Afin de réduire les coûts de production et de certification des assemblages, une nouvelle architecture en caissons creux, en fabrication ‘one shot’, est proposée. Cette structure contient des liaisons en T entre des sections sandwichs. Le comportement et les modes de dégradation de cette structure sont méconnus. Une méthodologie multi-échelle est mise en place pour appréhender l’endommagement de la voilure et ainsi améliorer l’outil numérique de dimensionnement.Tout d’abord, des systèmes essai – éprouvette spécifiques sont conçus pour représenter les modes de sollicitation de la liaison dans la voilure. Une analyse fine des essais instrumentés permet d’appréhender les scénarios d’endommagement pour chaque mode. Les premiers stades sont principalement pilotés par le nid d’abeille (cisaillement, déchirement). Un modèle numérique 3D permet de représenter les premiers stades d’endommagement. Il est construit avec une représentation en coque du nid d’abeille intégrant les variabilités de la structure (collage, déformation de cellules). Egalement, une loi de comportement élasto-plastique endommageable des matériaux constitutifs de la voilure (plis unidirectionnels et tissés) est développée et implémentée pour les stratifiés multi-matériaux. Sur les bases de ce modèle, une modélisation simplifiée du comportement de la liaison est développée. Elle consiste à assembler des coques par des connecteurs avec des propriétés élasto-plastiques. La création d’un calcul prédictif de voilure intègre le modèle simplifié de comportement de la liaison.

Aircraft wings are composed of a growing composite part portion. To reduce production and assembly certification costs, a new hollow box architecture is proposed with a one shot manufacturing process. This structure includes T-connections between honeycomb sandwich panels. Mechanical behavior and degradation modes are unknown for this structure. A multiscale methodology is developed to deepen the wing damage knowledge and to improve the numerical sizing tool.Firstly, specimen-testing couples are designed to represent the loading modes of the T-connections. A detailed analysis of instrumented testing allows to understand the damage scenarios for each mode. The first damage stages are mainly driven by the honeycomb behavior (shear, tear). A 3D numerical model represents the first damage stages. It is built with a shell representation of the honeycomb which integrates the structure variability (bonding, deformation of cells). An elastic-plastic damage law (unidirectional and woven plies) is developed for the wing materials. Then, it is implemented for multi material laminate. Based on this model, a simplified modeling is realized for the connection behavior. It consists of assembling shells by connectors with elastic-plastic properties. Building a predictive wing simulation requires a simplified model integration of the T-bond behavior.