Simulation numérique pour le développement d'une nouvelle génération de structure aéronautique soumise à impacts

Numerical simulation for the development of a new generation of impacted aeronautical structure

• Auteur / Autrice : Bruno Derias
• Direction : Pierre Spitéri, Philippe Marthon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathematiques Appliquées
• Date : Soutenance le 03/02/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Guyeux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Spitéri, Philippe Marthon, Frédéric Magoulès, Emmanuelle Jacquet, Léon Ratsifandrihana, Frédéric Messine, Clovis Tauber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Magoulès, Emmanuelle Jacquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Aéronautique

Mathématiques

Mots clés libres

Mathématique appliquée

Simulation numérique

Aéronautique

Eléments finis

Optimisation

Dynamique transitoire

Composite

Analyse non linéaire

Structure renforcée

Impact aviaire

Choc multiple

Grêlon

Débris de pneu

Applied mathematics

Numerical simulation

Aeronautics

Finite element

Optimization

Transient dynamic

Composite

Nonlinear analysis

Reinforced structure

Multiple impact

Hail

Tire debris

Avian impact

Résumé

L'aéronautique recherche des matériaux à haute performance pour réduire le poids structurel et absorber l'énergie des chocs. Les matériaux composites offrent des perspectives liées au rapport de la masse et de la rigidité. Cependant, la dispersion de leurs propriétés mécaniques due aux conditions environnementales ou au comportement à l'impact entrave leur développement. Actuellement, des solutions en nid d'abeilles et des mécanismes complexes d'absorption d'énergie sont utilisées. Le dimensionnement des structures est maîtrisé pour des chargements conventionnels, mais pas pour des cas sévères comme l'impact aviaire. Dans le cadre du développement d'une structure aéronautique renforcée innovante, l'objectif de cette étude est d'identifier et de caractériser un nouveau concept de matériau composite absorbant à l'échelle du coupon. Afin d'améliorer sa fiabilité et d'optimiser ses caractéristiques d'absorption lors d'impacts à haute énergie, des travaux sont réalisés pour développer en parallèle une méthodologie d'étude expérimentale et un modèle par éléments finis. L'objectif de ce dernier est de disposer d'un outil prédictif validé par corrélation avec l'expérimental pour assurer un essai virtuel. Le manque de connaissance du comportement non linéaire du matériau composite à forte déformation, pour différentes vitesses, ainsi que des mécanismes d'endommagement et de rupture sont des freins à son développement. L'absence d'une matrice d'expérimentation dédiée présente une difficulté pour sa caractérisation et son dimensionnement. Les travaux se concentrent sur l’étude des aspects mathématique, mécanique, numérique et informatique du problème. Les trois composantes de ce problème, c’est-à-dire l’oiseau, le matériau absorbant et le concept du fond étanche sont étudiés. Pour cela, trois cas d’application sont mis en œuvre. Après le développement d'études expérimentales de caractérisation, la qualification et la justification du nouveau concept est validée par corrélation avec une méthodologie de simulation numérique dédiée. Les résultats de l'étude mettent en évidence l'analyse et le développement d'un concept intéressant. Ce projet de thèse comporte également des analyses complémentaires concernant deux autres cas d’impact aéronautique : l’impact multiple de grêlons et de débris de pneu. Ces deux cas ont été envisagés suite aux enseignements tirés des études menées précédemment. Enfin, une conclusion présente notamment des perspectives de prolongement des travaux présentés.

Aeronautics search high performance materials for structural weight reduction and impact energy absorption. Composite offers perspectives related to mass and stiffness ratio. However, the dispersion of their mechanical properties due to environmental conditions or impact behaviour hinders their development. Currently, honeycomb solutions and complex energy absorption mechanisms are used. The sizing of structures is controlled for conventional loads, but not for severe cases such avian impact. In the context of the development of an innovative reinforced aeronautical structure, the objective of this study is to identify and characterize a new concept of absorbent composite material at the coupon scale. In order to improve reliability and optimize its absorption characteristics during high-energy impact, works are realized to develop in parallel an experimental study methodology and a finite element model. The purpose of the latter is to have a predictive tool validated by correlation with experimental to ensure virtual testing. Lack of knowledge of the nonlinear behaviour of the composite material at high deformation, for different speeds, as well as the mechanisms of damage and fracture are locks to its development. Absence of a dedicated experiment matrix presents a difficulty for its characterization and sizing. The work focuses on the study of the mathematical, mechanical, numerical and computer aspects of the problem. The three components of this problem, namely the bird, the absorbent material and the concept of the bulkhead, are studied. For this purpose, three application cases are implemented. After development of an experimental characterization study, the qualification and justification of the new concept is validated by correlation with a dedicated numerical simulation methodology. The results of the study highlight the analysis and development of an interesting concept. This thesis project also includes additional analyses of two other cases of aeronautical impact: the multiple impact of hail and tire debris. These two cases were considered following the lessons learned from previous studies. Finally, one conclusion presents, in particular, prospects for extending the work presented