Soutenance mémoire
Les équipements et les moyens associés pour étudier le comportement des ailes ont évolué depuis le début du XXème siècle. Cette partie de la revue fait le point sur les méthodes et les types de bancs actuels qui permettent de réaliser des tests statiques et de fatigue sur les aéronefs. Les essais concernant les gros porteurs tels que l’Airbus A 380 ou le Boeing 747- Dreamliner seront également traités. La gestion du poids mort de l’aile sera exposée ainsi que les moyens actuels pour gérer et contrôler l’application de la charge.
Équipements de tests
Plusieurs types d’équipements sont disponibles de nos jours, leur choix d’utilisation dépend de la nature des tests. Il faut savoir s’il s’agit de tests statiques purs ou de fatigue, en tension et/ou en compression ainsi que la quantité et le niveau de précision des données à recueillir.
Les sacs de sable
La méthode de chargement de Langley avec des sacs de sable est la plus ancienne mais toujours d’actualité. Elle est généralement utilisée pour sa facilité et sa rapidité de mise en œuvre. En effet, il suffit de disposer d’un lieu pouvant accueillir l’envergure de l’avion. Aucune structure extérieure n’est à concevoir mise à part la pièce de jointure qui permet de simuler l’implantation des deux ailes sur le fuselage dans le cas d’un test symétrique. Le chargement se fait très progressivement grâce à des sacs de poids connus et peut être complété à l’aide de sacs de lest. Cette méthode est plus généralement utilisée en vue de tester des avions ultralégers, de tourismes ou de voltiges .
Les inconvénients de cette méthode sont néanmoins multiples. L’accessibilité à l’aile pendant le test est limité. Le test n’est pas contrôlé aussi précisément qu’avec un système de vérins ou de câbles. À l’époque, il fallait généralement retourner les ailes ou même l’avion dans un cas de test à pleine échelle afin de considérer le poids comme le premier incrément de charge. Cette méthode permet uniquement de vérifier rapidement la tenue de l’aile à un chargement donné, ainsi que de déterminer approximativement la limite de la charge ultime.
Les sacs de lest
Méthode très proche de celle de Langley à la différence que les sacs sont suspendus à l’aile par des attaches fixées sur l’extrados. Très efficace pour tester des voilures monoblocs comme celle de l’aéronef Aurora Orion de l’armée américaine. Elle est également très fréquemment utilisée pour tester les longerons avant ou arrière de grandes envergures indépendamment de l’aile. Ils sont aussi utilisés pour les tests à pleine échelle des gros avions civils .
Les sacs de lest, en orange sur la photographie, sont suspendus par un système de câbles et de poulies aux palonniers attachés sur l’aile. Les sacs ont été remplacés par des poids métalliques mais le principe reste le même. L’essai correspond à un test pleine échelle de certification à la tenue à la charge ultime de +2.5g pour les avions civils. Sur la photographie, les ailes ont atteintes une flèche maximale de 7,62m en bout d’aile selon Boeing.
Les ailes encastrées
Clarke et al., ont évalué en 2005 la résistance aux chocs à faible vitesse d’un caisson de voilure en matériau composite. Bien qu’il ne s’agisse ni d’un test statique ni d’un test de fatigue, il est intéressant de voir l’équipement nécessaire à la réalisation d’un encastrement de l’aile au niveau de l’emplanture. L’utilisation de sabots a permis de fixer l’aile sur une extension reposant sur deux appuis .
Jegley et al., avaient déjà réalisé un encastrement en 1997, leur but était de qualifier la résistance d’une voilure en composite sous une charge statique. Pour cela, une extension métallique triangulaire a été conçue pour accueillir le vérin, l’emplanture étant encastrée dans une structure métallique . Deux trépieds ont aidés à maintenir le poids de l’aile de manière à réaliser le zéro des jauges de déformations et autres capteurs de déplacements.
Poids mort et charges discrètes
Lors des essais à pleine échelle, toutes les parties qui composent l’aile ne sont pas présentes pour des questions de coûts et d’échéanciers. Les éléments des dispositifs hypersustentateurs tels que les becs de sécurité (slats), les volets (flaps) mais aussi les nacelles des moteurs, la penne, les trains d’atterrissages .
Clarence et al., avaient utilisés des méthodes de chargement similaires pour tester en fatigue un bombardier de l’US air force, le KC-135. Six vérins hydrauliques pour chacune des deux ailes leur ont permis de recréer son comportement en vol, en incluant également les charges des éléments non structuraux. Les rosettes et jauges axiales collées sur les zones potentielles de fortes contraintes ont été utilisées pour stopper le chargement en cas de détection d’une anomalie. Des vérins pneumatiques ont permis de décharger complètement les cellules de charge afin d’obtenir un zéro de référence pour la lecture avant le début des opérations. Les charges discrètes de l’aile adaptative du projet ont déjà été comptabilisées dans le chargement transmis par BA.
Gestion et contrôle de la charge
Le test de fatigue implique une répétition d’un cycle de charge alors que l’essai statique suggère une seule répétition à un niveau de charge plus élevé, notamment à la charge ultime. Dans les deux cas, les moyens de monitorer les tests sont semblables et sont réalisés par l’utilisation de jauges de déformations et autres capteurs de déplacements depuis les années soixante. Pour les avions actuels de ligne de type A320 ce sont quelques 3600 jauges de déformations, contre 7000 pour l’A380 qui furent nécessaires pour monitorer les tests de fatigue ainsi qu’un minimum de 80 capteurs de déplacements. Le but étant de détecter le plus tôt possible un dommage naissant. En effet, une zone de turbulence peut induire des débattements de plus de 4 mètre en bout d’aile. En plus des turbulences, les vérins peuvent reproduire le décollage, l’atterrissage, toutes les étapes du vol mais aussi les évènements alternatifs comme les manœuvres en vol, les turbulences, les rafales de vent horizontales et verticales qui causent de grandes contraintes dans la structure. Selon l’expertise de l’entreprise Hänchen qui fabrique les vérins utilisés pour la fatigue, un airbus effectue en moyenne, au cours de sa vie, 35 000 vols sur une période comprise entre 25 et 30 ans. Pour un essai de fatigue, les vérins sont capables de reproduire ce cycle de vie sur une période de 18 mois à peine. Afin de rendre les mouvements de l’aile réalistes, les vérins hydrauliques sont contrôlés grâce à des valves à ouverture proportionnelle. Les vérins sont actionnés simultanément et sont très précis sur les déplacements, qu’ils soient lents ou rapides. En ordre d’idée, la vitesse maximale peut atteindre 0,6 m/s avec une erreur maximale sur le chargement inférieur à trois pourcent. Au cours du processus, les ailes peuvent monter à plus de 3 mètres et descendre en dessous de 1,2 mètre par rapport à leur position zéro. Les charges appliquées sont comparées en temps réel aux charges induites grâce à des cellules qui enregistrent en permanence l’effort des vérins. Elles sont placées en série entre le spécimen de test et les actionneurs hydrauliques.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 MISE EN SITUATION
1.1 L’objet du test
1.1.1 Concept de l’aile adaptative
1.1.2 Composition structurale de l’aile
1.2 Charges appliquées
1.2.1 Les facteurs de charges
1.2.2 Discrétisation du chargement interne
1.3 Problématique
1.4 Objectifs
1.5 Méthodologie
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Un peu d’histoire, les débuts des tests statiques
2.2 Normes de certification structurales des ailes en matière de tests
2.2.1 Généralité sur les structures
2.2.2 Évaluation de la fatigue
2.3 Application d’un chargement statique sur une aile d’avion
2.3.1 Équipements de tests
2.3.1.1 Les sacs de sable
2.3.1.2 Les sacs de lest
2.3.1.3 Les Palonniers
2.3.1.4 Les ailes encastrées
2.3.2 Poids mort et charges discrètes
2.3.3 Gestion et contrôle de la charge
2.4 Approche pour dimensionner un banc d’essai statique
2.5 Outils de calculs
2.5.1 Calcul du centre de cisaillement d’une section par discrétisation
2.5.1.1 Section ouverte
2.5.1.2 Section fermée
2.5.1.3 Exemple numérique simplifié
2.5.2 Étude de la flexion combinée à la torsion
2.5.2.1 Tube encastré
2.5.2.2 Poutre laminée encastrée
CHAPITRE 3 ÉTUDE DU PRÉCONCEPT
3.1 Cahier des charges fonctionnel
3.1.1 Phase d’utilisation du banc
3.1.2 Phase de fabrication-montage
3.1.2.1 Pièces standards
3.1.2.2 Normes de conception utilisées
3.1.2.3 Matières premières
3.1.2.4 Moyens de fabrication
3.2 Études des cas de chargement du banc à l’aide du logiciel MDSOLID 4.0
3.2.1 Choix de la technologie
3.2.2 Bornes des modes de chargement
3.2.3 Cas extension – extension
3.2.4 Cas encastrement – extension
3.3 Dimensions et caractéristiques globales du banc
CHAPITRE 4 DIMENSIONNEMENT DU CONCEPT
4.1 Centre de cisaillement de la section de l’aile
4.1.1 Choix des sections
4.1.2 Découpage élémentaire
4.1.3 Calculs des propriétés des sections
4.2 Poutres structurelles
4.2.1 Choix des profilés
4.2.2 Flexion combinée à la torsion
4.2.2.1 Application numérique pour un profilé HSS-Shape
4.2.2.2 Application numérique pour un profilé W-Shape
4.2.2.3 Discussion
4.2.3 Résistance en section
4.2.3.1 Poutre du bras de levier
4.2.3.2 Poutres structurales
4.3 Épaisseur de la plaque de torsion
4.4 Tenue mécanique des soudures
4.5 Poids mort, boucle de conception et calcul final du chargement
4.6 Enveloppes limites de la visserie
4.7 Cellule de charge et systèmes hydrauliques
4.8 Maquette 3D
4.9 Coût total du banc
CHAPITRE 5 VALIDATION NUMÉRIQUE DU DESIGN FINAL
5.1 Modélisation du banc
5.1.1 Maillage Bidimensionnel
5.1.2 Maillage Tridimensionnel
5.1.3 Modélisation des joints boulonnés
5.1.4 Modélisation des contacts
5.1.5 Représentation finale du modèle par éléments finis
5.1.6 Applications des forces et conditions limites
5.1.7 Données de sortie
5.2 Déplacements globaux selon les axes
5.3 Validation des marges de sécurité
5.3.1 Jeu de poutres
5.3.2 Module d’encastrement
5.3.3 Extension d’aile
5.3.4 Validation des joints boulonnés
5.3.4.1 Boulonnage de l’aile
5.3.4.2 Boulonnage du module d’encastrement
5.3.4.3 Boulonnage des poutres
CHAPITRE 6 TESTS EXPÉRIMENTAUX
6.1 Montage du banc et fixation au sol
6.2 Moyens de mesures
6.3 Procédure de test
6.4 Résultats Expérimentaux
6.4.1 Évolution de la course du vérin
6.4.2 État de contrainte à l’endroit des jauges
CONCLUSION
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