ABRAS AERO - Modélisation et caractérisation thermomécaniques des performances tribologiques de structures aéronautiques métalliques et composites lors d'un frottement-usure à haute énergie (atterrissage d'urgence)

ABRAS AERO - Thermomechanical modeling and characterization of the tribological performance of metallic and composite aeronautical structures during high energy friction-wear (emergency landing)

• Auteur / Autrice : Serge Penaherrera
• Direction : Éric Deletombe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCube - Laboratoire de mécanique multiphysique et multiéchelle

Mots clés

Mots clés libres

Atterrissage d'urgence

Matériaux structuraux aéronautiques

Processus d'usure et d'échauffement

Changement d'échelle

Triplet tribologique

Troisième corps

Emergency landing

Aeronautical structural materials

Wear and heating processes

Downscaling

Tribological system

Third body

Résumé

En cas d'atterrissage d'urgence d'aéronefs, l'appareil se pose et termine sa course « sur le ventre », jusqu'à l'arrêt. Des éléments de structure, en particulier le fuselage et les moteurs, ou des éléments dédiés, subissent dès lors des sollicitations extrêmes d'un point de vue mécanique et thermique. Ces sollicitations sont induites par le frottement de la structure sur le tarmac, et se traduisent par différents mécanismes d'usure et d'échauffement. Ces phénomènes sont très complexes à appréhender et à modéliser, car ils sont dynamiques, destructifs, multiphysiques et multiéchelles. Leur identification et leur caractérisation constituent un véritable défi, à l'intersection des domaines de la physique des matériaux et de la dynamique des structures. Se pose en plus au chercheur la question du changement d'échelle, puisqu'il faudrait pouvoir caractériser ces phénomènes d'usure et d'échauffement en laboratoire, à une échelle inférieure à celle de l'aéronef en situation réelle, dans un souci de faisabilité scientifique et opérationnelle (limitation du temps, du coût, etc, des essais). Les enjeux industriels posés par cette problématique sont importants, car ils sont liés aux risques de destruction de la structure, de feu, etc., auxquels peuvent être exposés les passagers lors de tels atterrissages d'urgence trains rentrés. Ces risques sont aujourd'hui traités grâce aux retours d'expérience pour les structures métalliques, mais ils restent mal connus pour les structures composites de plus en plus utilisées dans les structures primaires d'aéronefs. Qui plus est, la course constante vers la réduction de la masse des appareils, pour des raisons économiques et environnementales, pose la question de l'optimisation multi-objectifs de ces structures : les performances à l'abrasion et au transfert de chaleur de ces structures ou composants dédiés participent donc de la réflexion globale de conception. Les travaux de thèse concerneront plus particulièrement l'étude, la modélisation théorique (pour l'extrapolation échelle 1) et la caractérisation expérimentale de l'abrasion des différentes familles de matériaux structuraux (alliage d'aluminium, composites à renforts de fibres de carbone) au contact d'une contre-face béton. Plus particulièrement, ils concerneront le développement et la mise en œuvre d'instrumentations métrologiques et d'outils d'exploitation numériques avancés, nécessaires à validation de scénarios tribologiques et à la quantification précise de bilans de matière et d'énergie, résultats d'expériences jugées représentatives de mécanismes d'abrasion attendus à l'échelle 1. Il sera en particulier fait usage de l'imagerie visible et infrarouge rapide, ce qui constitue un des points durs et l'originalité du sujet de thèse.

In the event of an emergency landing of an aircraft, it lands and ends its course 'prone' to a stop. Structural elements, in particular the fuselage and engines, or dedicated elements, therefore undergo extreme stresses from a mechanical and thermal point of view. These stresses are induced by the friction of the structure on the tarmac, and result in various wear and heating mechanisms. These phenomena are very complex to understand and model, because they are dynamic, destructive, multiphysical and multiscale. Their identification and characterization is a real challenge, at the intersection of the fields of material physics and of structure dynamics. The researcher also has the question of changing the scale, since it would be necessary to be able to characterize these phenomena of wear and heating in the laboratory, on a scale smaller than that of the aircraft in a real situation, the reason being scientific and operational feasibility (limitation of time, cost, etc., of tests). The industrial challenges posed by this problem are important, because they are linked to the risks of destruction of the structure, fire, etc., to which passengers may be exposed during such emergency landings with the gear retracted. These risks are now addressed thanks to the experience feedback for metal structures, but they remain poorly understood for the composite structures increasingly used in the primary structures of aircraft. Moreover, the constant race towards reducing the mass of devices, for economic and environmental reasons, raises the question of the multi-objective optimization of these structures: the abrasion performance and the heat transfer of said structures. Dedicated structures or components therefore participate in the overall design thought process. The thesis work will concern more particularly the study, the theoretical modeling (for scale 1 extrapolation) and the experimental characterization of the abrasion of the different families of structural materials (aluminium alloy, carbon fiber reinforced composites) in contact with a concrete counter-face. More specifically, they will concern the development and implementation of metrological instrumentation and advanced digital operating tools, necessary for the validation of tribological scenarios and the precise quantification of material and energy balances, results of experiments considered representative of abrasion mechanisms expected at scale 1. In particular, use will be made of visible and rapid infrared imaging, which constitutes one of the hard points and the originality of the thesis subject.