Dimensionnement et tenue résiduelle des assemblages boulonnés composites soumis à des conditions de chargement électique

Residual strength and sizing of aeronautical composite assemblies exposed to electric currents

• Auteur / Autrice : Alen Tom Abraham
• Direction : Frédéric Lachaud, Eric Paroissien
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 15/09/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MSC - Matériaux et Structures Composites
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Endommagement

Rupture

Fatigue

Assemblage boulonné

Composite stratifié

Damage

Failure

Fatigue

Bolted joints

Composite laminate

Résumé

Plusieurs fonctions électriques assurées par une cellule métallique ne sont plus assurées directement par une cellule en Composite polymère à Fibres de carbone (polymère renforcé de fibres de carbone). Un ensemble de conducteurs métalliques, appelés ESN (réseau structurel électrique) ou MBN (réseau de liaison métallique), a été conçu et intégré sur le dernier avion composite (A350) afin de compenser les performances électriques a priori médiocres du PRFC (voir la section précédente pour plus de détails sur le réseau de liaison). Les premières fonctions électriques concernent les courants fonctionnels (courant de retour d'alimentation, courant de retour de signal, courant de fuite) ainsi que les courants non fonctionnels, en cas de défaut électrique par exemple. Les courants fonctionnels sont par essence permanents et existent en mode de fonctionnement normal des systèmes. Les courants non fonctionnels en cas de défaut électrique (courts-circuits) sont de nature non permanente, car ils sont détectés/éliminés par des dispositifs de protection contre les courts-circuits (par exemple, un disjoncteur). Les efforts déployés sur les technologies de distribution électrique et les technologies de prévention des courts-circuits (« déclenchement rapide ») permettent de réduire la charge de courant globale injectée dans la structure en carbone. Les programmes de recherche visent à optimiser, voire à supprimer, le MBN, dont l'empreinte industrielle sur le produit est importante. Cependant, un obstacle majeur réside dans la connaissance de la capacité d'une jonction CFRP à accepter une certaine quantité de courant, de manière permanente ou accidentelle (en cas de défaut électrique). Les concepts « sans MBN » / « sans MBN » nécessitent de comprendre l'effet d'un flux électrique dans ces jonctions sur une longue période, ou associé à de courts événements transitoires, afin de comprendre les possibles effets de choc sur les propriétés mécaniques et l'accumulation éventuelle de microdéfauts [Hart-Smith L. J.]. Idéalement, au-delà des résultats d'une approche empirique, un modèle physique des phénomènes physiques en jeu, permettant d'anticiper les performances, constituerait une avancée significative. Les objectifs de la recherche et de la thèse sont les suivants :  comprendre l'interaction du PRFC avec un flux électrique ;  fournir les lois de knockdown permettant de concevoir des concepts de distribution électrique « sans MBN », éventuellement associés à des modèles de dimensionnement ;  ouvrir la voie à une méthodologie permettant de certifier ces concepts sans avoir à tester toutes les configurations de jonctions. La compréhension de l'interaction entre le flux de courant électrique et le PRFC (aspects liés au vieillissement et aux facteurs de knockdown mécaniques, avec une capacité de prédiction) est de nature académique. La physique de l'interaction et ses implications mécaniques s'intègrent parfaitement dans un laboratoire universitaire de mécanique. La thèse contribue à la fonctionnalisation de la structure du carbone pour des fonctions électriques. Ceci est pertinent pour l'électrification et l'optimisation de la distribution/installation électrique. La compréhension de l'injection et du flux de courant sur la structure du carbone, ainsi que la détermination (avec une capacité de prédiction) des valeurs électriques admissibles aux jonctions, sont des facteurs cruciaux. Tel est l'objectif de la thèse. La « fonctionnalisation » de la structure, c'est-à-dire l'ajout de fonctions électriques à la structure, constitue un défi industriel qui requiert une connaissance technique des interactions électriques et mécaniques des structures en carbone. Ceci est valable pour les jonctions/assemblages actuels, mais aussi pour des schémas et matériaux différents et innovants. Le principe générique du concept « No-MBN », en référence à la situation « en l'état » (par exemple, l'A350), est illustré dans la figure suivante. Dans ce type de concept, tous les retours de courant fonctionnels sont câblés vers le fuselage (alimentation et signal), sans retour structurel (voir l'annexe pour plus de détails).

Several electrical functions provided by a metallic airframe are not directly provided anymore by a CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) airframe. A set of metallic conductors called ESN (Electrical Structural Network) or MBN (Metallic Bonding Network) were designed and integrated on the latest composite aircraft ‘A350) to compensate for the a priori poor electrical performance of the CFRP (see last section for details on the bonding network). The first electrical functions relate to functional currents (power supply return current, or signal return current, or leakage current) as well as non-functional currents in case of electrical fault for instance. The functional currents are by essence permanent and exist in normal mode of operation of the systems. The non-functional currents in case of electrical fault (short-circuits) are of a non-permanent nature since they are detected/cleared by short-circuit prevention devices (eg a ‘'circuit breaker''). Efforts on the electrical distribution technologies, and short circuit prevention technologies (‘'fast tripping''), makes it possible to reduce the overall current load that would be injected into the carbon structure. Research programs have in their objective the optimization, or suppression, of the MBN which industrial footprint on the product is substantial. However, an important hurdle is the knowledge of the capability of a CFRP junction to accept a certain amount of current, either permanently and accidentally (in electrical fault conditions). The ‘'MBN free'' / ‘'No-MBN'' concepts makes necessary to understand the effect of an electrical flow into those junctions over long period of time, or associated to short transient events to understand the possible knockdown effects on the mechanical properties and possible microdefect accumulation [Hart-Smith L. J.]. Ideally, beyond the results of an empirical approach, a physical model of the physical phenomena at stake making possible to anticipate performances would be a significant breakthrough. The objectives of the research and PhD are as follows:  to understand the CFRP interaction with an electrical flow,  to provide the knockdown laws enabling the ‘'MBN free'' electrical distribution concepts, eventually associated to some sizing models,  to pave the way to a methodology for certifying those concepts without having to test all configurations of junctions. The understanding of the interaction between electrical current flow and CFRP (ageing aspects and mechanical knockdown factors with a prediction capability) is of an academic nature. The physics of the interaction, and the mechanical implications, fits with a mechanical academic lab. The PhD contributes to the functionalization of the carbon structure for electrical functions. This does fit with electrification, and optimization of electrical distribution/installation. The understanding of current injection and flow on carbon structure and the determination (with a prediction capability) of the electrical allowables at the junctions are crucial factors. This is the objective of the PhD. ‘'Functionalization'' of the structure, i.e. allowing more electrical functions to the structure, is an industrial challenge that requires technical knowledge of electrical/mechanical interaction of carbon structure. This is valid for the junctions/assemblies we know of today, but also on different/innovative schemes and materials. The generic principle of the ‘'No-MBN'' concept, in reference to the ‘'as is'' situation (eg A350) is given on the following figure. In such concepts all functional currents returns are wired back to the fuselage (power and signal), no structural return (see appendix for more details).