Evaluation de l'endommagement dans les structures composites en aéronautique généré par la contrainte foudre

Damage assessment on aircraft composite structure due to lightning constraints

• Auteur / Autrice : Audrey Bigand
• Direction : Christine Espinosa, Jean-Marc Bauchire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux - Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Philippe Teulet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Espinosa, Jean-Marc Bauchire, Philippe Teulet, Michel Arrigoni, Adrian Murphy, Pedro Manuel Ponces Rodrigues De Castro Camanho, Franck Flourens, Philippe19..-.... Lalande
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Arrigoni, Adrian Murphy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites -- Délaminage

Foudre

Mots clés libres

Foudre

Composite

Aéronautique

Délaminage

Dynamique rapide non linéaire

Peinture

Lightning

Composite

Aeronautics

Delamination

Transient non-Linear Dynamics

Paint

Résumé

L’utilisation des matériaux composites dans l’industrie aéronautique s’étant largement étendue, ledimensionnement de ces structures et de leur protection vis-à-vis de la foudre est devenu un enjeu majeur. Ilest important de pouvoir développer des outils prédictifs permettant d’obtenir une conception de structurerépondant aux critères de certification avec des temps et coûts de conception maitrisés. L’interaction de lafoudre avec une structure composite est un phénomène multiphysique complexe, avec une difficulté ajoutéepar la présence d’une protection métallique en surface et d’une couche de peinture. Dans ce contexte, cetteétude a visé à développer la compréhension par rapport aux forces générées par la foudre et d’en évaluer sesconséquences quant à l’endommagement du composite. Dans cet objectif, le phénomène a d’abord étédécomposé pour en étudier ses différentes parties et définir l’impact des interactions. Dans un premier temps,l’arc libre a été comparé au pied d’arc en interaction avec différents substrats permettant de définir un modèlede vaporisation de la protection foudre. Dans un second temps, la surpression générée par l’explosion de laprotection en surface lors de la vaporisation a été évaluée pour définir des profils de pression spatio-temporels.Dans un troisième temps, une caractérisation mécanique de la peinture a été développée afin de quantifier soneffet de confinement sur l’explosion de surface. A chaque étape, une théorie a été développée et analysée viades modèles numériques et des essais. Enfin, ces trois différentes briques ont été rassemblées dans un modèlemécanique simulant l’impact foudre sur une structure composite afin d’en prédire l’endommagement. De plus,une loi utilisateur a été développée pour appliquer ce chargement complexe ainsi qu’une loid’endommagement. Ces modèles sont comparés aux résultats d’essai foudre en laboratoire afin d’endéterminer les limites de validité et leur capacité à prédire l'endommagement.

As composite materials are now widely used in the aeronautical industry, the sizing of these structures andtheir protection against lightning has become a major issue. It is important to develop predictive tools to obtaina structure concept that meets certification requirements with a controlled time and cost during the designphase. The interaction of lightning with a composite structure is a complex multi-physics phenomenon, with afurther difficulty due to the presence of a metallic protection on the surface and a layer of paint. In this context,this study aimed to develop an understanding of the forces generated by lightning and to assess itsconsequences in terms of damage to the composite. To this end, the phenomenon was first broken down tostudy its different components and define the impact of their interactions. In a first step, the free arc wascompared to the arc root in interaction with different substrates to define a vaporisation model of the lightningprotection. In a second step, the overpressure generated by the explosion of the surface protection duringvaporisation was evaluated to define spatio-temporal pressure profiles. In a third step, a mechanicalcharacterization of the paint was developed in order to quantify its confinement effect on the surface explosion.At each stage, a theory was developed and analysed via numerical models and tests. Finally, these threedifferent bricks are brought together in a mechanical model simulating the lightning impact on a compositestructure in order to predict the damage. In addition, a user subroutine has been developed to apply thiscomplex loading as well as a damage law. These models are compared with lightning laboratory test results todetermine their validity limits and their ability to predict the damage.