Soutenance mémoire
Concept conventionnel d’un panneau
L’objectif du projet COMP-501 ne consiste pas à réinventer le concept des panneaux, mais plutôt à évaluer le potentiel d’amélioration de leur procédé de fabrication et de leurs performances mécaniques lorsque des renforts tridirectionnels sont utilisés. Il convient donc d’étudier avant tout les caractéristiques essentielles de cet assemblage ainsi que ses faiblesses actuelles. Il sera montré à la Section 1.3.2 que les pièces de revêtements sont susceptibles de subir plusieurs impacts tout au long de leur vie. Ces pièces sont donc habituellement faites de stratifiés quasi isotropes, généralement plus aptes à redistribuer les chargements dans une zone endommagée (Dorris et al., 1992). Les raidisseurs, quant à eux, sont des profilés qui servent généralement à limiter le flambage d’un revêtement en compression ou à raidir ce dernier localement, là où les contraintes sont importantes. Ceux-ci peuvent être placés dans le sens de l’envergure de l’aile et dans le sens circonférentiel ou longitudinal du fuselage. Puisque les raidisseurs sont principalement sollicités dans le sens de leur longueur, leurs renforts sont habituellement orientés de façon à renforcer principalement cette direction.
Cependant, certaines conceptions de raidisseur utilisent plutôt des stratifiés quasi isotropes afin d’améliorer la résistance aux chocs ou réduire les écarts de contraintes entre le raidisseur et le revêtement (CMH-17, Volume 3, 2012). Tel qu’en fait mention Mahfuz et al. (2004), les éléments critiques d’un panneau sont les joints entre les raidisseurs et le revêtement. La pratique la plus courante consiste à fabriquer le raidisseur et le revêtement séparément et ensuite les assembler par collage. Lorsque le composite est fait de renforts préimprégnés, les deux pièces peuvent être assemblées préalablement à leur cuisson et placées ensemble dans l’autoclave afin de renforcer le joint (« co-curing »). Malgré tout, le joint demeure inévitablement une faiblesse dans la structure et requiert souvent l’ajout de rivets ou autres pièces de fixation. L’ajout de rivets implique des étapes supplémentaires (par ex. : perçage et installation des rivets) pour la fabrication du panneau. De plus, les trous accueillant les rivets ou pièces de fixation sont des concentrateurs de contraintes et fragilisent les raidisseurs et le revêtement.
Une autre faiblesse bien connue des raidisseurs en T faits de composite est la concentration de contraintes à l’intersection du voile et de la semelle. Lorsqu’une tension est appliquée dans le sens de la hauteur du raidisseur (« tear-off loading »), la semelle, le voile et la nouille tendent à se délaminer tel que montré à la Figure 1.2. Pour montrer comment le préformage des renforts peut aider à réduire les coûts et la variabilité du procédé de fabrication des panneaux, les avantages et inconvénients du procédé de moulage par infusion sous vide seront présentés à la Section 1.2. Ensuite, afin de bien comprendre comment le préformage des renforts peut affecter les propriétés mécaniques d’un stratifié, les mécanismes de rupture et d’endommagement des stratifiés seront présentés à la Section 1.3.
Avantages et inconvénients du moulage par infusion sous vide En 2012, 54% des composites renforcés de fibres de carbone étaient fabriqués à partir de renforts préimprégnés (Jahn et Witten, 2013). Avec les technologies comme l’« automated fiber placement » (AFP), les renforts préimprégnés dominent et continueront de dominer pour plusieurs années le marché de la fabrication de composites à hautes performances (Jahn etWitten, 2013). Cependant, alors que le volume de composites utilisés dans les aéronefs ne cesse d’augmenter et que l’utilisation des composites s’étend aux pièces structurales et de grandes tailles, l’utilisation des préimprégnés consolidés en autoclave devient de plus en plus complexe et coûteuse. En effet, les autoclaves construits de nos jours peuvent mesurer jusqu’à 27m de long et 8m de diamètre. Un autoclave de cette taille nécessite un investissement d’environ 9M$CAN auxquels s’ajoutent les coûts d’entretien et d’utilisation (c.-à-d. électricité, azote, etc.). De plus, les matériaux (renforts et matrice) sont entre 30 à 70% plus dispendieux lorsqu’ils sont sous forme de renforts préimprégnés (Girardy et Blank, 2014).
Les constructeurs aéronautiques se tournent donc vers de nouveaux procédés de fabrication pour réduire les coûts de production. Selon Witik et al. (2012), la fabrication de pièces par infusion sous vide peut réduire les coûts de production d’environ 15% par rapport aux coûts de fabrication d’un composite fait à partir de renforts préimprégnés cuits en autoclave. Le moulage par infusion sous vide, aussi appelé « vacuum assisted resin infusion » (VARI), consiste à aspirer de la résine par dépression à travers des renforts placés sur un moule ouvert et scellés grâce à une pellicule plastique. L’infusion est aidée d’une série d’accessoires qui servent notamment à acheminer la résine aux endroits voulus et favoriser l’imprégnation des renforts. La fabrication de pièces par VARI avec des méthodes de laminage traditionnelles (par ex. : drapage manuel de plusieurs plis de renforts suivi d’une infusion sous vide) n’est toutefois pas sans difficulté. D’abord, les renforts secs sont sensibles aux manipulations. Voici quelques défauts pouvant être causés durant le drapage relevés par Mesogitis et al. (2014) :
Délaminage
Le délaminage est le mode d’endommagement le plus fréquent dans les stratifiés (Dransfield et al., 1994; O’Brien, 2001). Puisque l’ajout de fibres à travers l’épaisseur d’un stratifié a notamment pour but de retarder son apparition ou d’atténuer son ampleur, il convient de s’attarder un peu plus longuement à ce mécanisme de rupture. L’Office Québécois de la Langue Française définit le délaminage comme étant « un défaut existant dans les matériaux composites stratifiés se caractérisant par une séparation ou un manque de liaison entre deux strates ». Le délaminage peut être causé par trois modes de chargements : a) le Mode I, l’ouverture d’une fissure interlaminaire, b) le Mode II, un cisaillement dans le plan et c) le Mode III, un arrachage dans le plan. Ces derniers sont présentés à la Figure 1.4. Greenhalgh et Hiley (2003) affirment que si l’initiation d’un délaminage est habituellement causée par des forces d’ouverture, la propagation des dommages est, quant à elle, souvent due à des forces de cisaillement dans le plan. Selon Dransfield et al. (1994), les contraintes interlaminaires menant au délaminage sont souvent le résultat d’un impact à basse vitesse ou d’un chargement excentrique.
Parce qu’ils sont des concentrateurs de contraintes, les discontinuités de matériaux ou les changements de géométrie sont des endroits propices à l’initiation du délaminage. Ainsi, le délaminage survient habituellement aux bords libres de contraintes lorsqu’il y a une différence de propriétés entre deux strates voisines, aux endroits où il y a une diminution du nombre de plis et aux régions subissant des contraintes perpendiculaires au plan de renforts (Dransfield et al., 1994). Quelques exemples sont illustrés à la Figure 1.5. Le délaminage, bien qu’il affaiblisse l’ensemble des propriétés mécaniques du stratifié, affecte particulièrement les propriétés en compression. En effet, une fois délaminé, le stratifié est plus sensible au microflambage sous l’effet d’une compression longitudinale. Prichard et Hogg (1990) ont d’ailleurs observé une diminution de la résistance à la compression allant jusqu’à 40% due à un délaminage non apparent. Il est pertinent de noter que, bien qu’il réduise les propriétés mécaniques du stratifié, le délaminage est un mécanisme d’endommagement qui absorbe une partie de l’énergie lors d’un impact. S’il est complètement absent lors d’un impact, l’énergie de l’impact peut mener à une rupture catastrophique du composite causé par la rupture des fibres (Dransfield et al., 1994).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Mise en situation
1.1.1 Sélection de la pièce à développer
1.1.2 Concept conventionnel d’un panneau
1.2 Avantages et inconvénients du moulage par infusion sous vide
1.3 Endommagement et rupture des composites
1.3.1 Modes de rupture
1.3.1.1 Rupture des fibres
1.3.1.2 Décohésion fibre-matrice
1.3.1.3 Rupture de la matrice
1.3.1.4 Délaminage
1.3.2 Philosophie de tolérance à l’endommagement
1.4 Préformage des renforts secs
1.4.1 Revue des procédés d’assemblage des renforts secs
1.4.1.1 Tissage
1.4.1.2 Tricotage
1.4.1.3 Tressage
1.4.1.4 Couture
1.4.2 Particularités de la couture aveugle
1.4.3 Effets des paramètres de couture sur les performances mécaniques du stratifié
1.4.3.1 Densité de points de couture
1.4.3.2 Fil de couture
1.4.3.3 Configuration des points de couture
1.4.4 Défauts typiques causés par la couture
1.5 Caractérisation des matériaux
1.5.1 Principe de caractérisation des matériaux
1.5.2 Séquence pour caractérisation des matériaux
1.5.3 Caractérisation des constituants
1.5.4 Caractérisation d’un pli individuel et caractérisation d’un stratifié
1.5.5 Caractérisation des éléments et détails
1.5.6 Caractérisation des sous-composantes et composantes
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Sélection d’un procédé de préformage
2.2 Démarche du projet CRIAQ COMP-501
2.3 Matériaux et procédé de mise en forme
2.3.1 Renforts et matrice
2.3.2 Séquence d’empilement des renforts
2.3.3 Découpe et préformage des renforts
2.3.4 Fabrication des stratifiés par VARI
2.4 Plan de tests
2.4.1 Essais physiques et mécaniques
2.4.2 Taille des échantillons
2.4.3 Préparation des spécimens
CHAPITRE 3 EFFET DES PARAMÈTRES DE MISE EN FORME SUR LES PROPRIÉTÉS DU STRATIFIÉ
3.1 Définition des paramètres de mise en forme
3.2 Essais physiques
3.2.1 Uniformité de l’épaisseur
3.2.1.1 Méthodologie
3.2.1.2 Résultats et analyse
3.2.2 Masse surfacique
3.2.2.1 Méthodologie
3.2.2.2 Résultats et analyse
3.2.3 Taux des constituants
3.2.3.1 Méthodologie
3.2.3.2 Résultats et analyse
3.3 Essais mécaniques
3.3.1 Méthodologie
3.3.1.1 Essai de compression avec trou
3.3.1.2 Essai de compression après un impact
3.3.2 Résultats et analyse
3.3.2.1 Essai de compression avec trou
3.3.2.2 Essai de compression après impact
3.4 Paramètres de mise en forme retenus
CHAPITRE 4 EFFETS DE LA COUTURE OSSSUR LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES STATIQUES DES STRATIFIÉS
4.1 Propriétés en tension
4.1.1 Méthodologie
4.1.2 Résultats et analyse
4.2 Propriétés en compression
4.2.1 Méthodologie
4.2.2 Résultats et analyse
4.3 Propriétés en flexion
4.3.1 Méthodologie
4.3.2 Résultats et analyse
4.4 Masse volumique et taux des constituants
4.4.1 Méthodologie
4.4.2 Résultats
CHAPITRE 5 EFFETS DE LA COUTURE OSSSUR LA TOLÉRANCE À L’ENDOMMAGEMENT DES STRATIFIÉS
5.1 Résistance à la compression avec trou
5.1.1 Méthodologie
5.1.2 Résultats et analyse
5.2 Résistance des stratifiés à un impact
5.2.1 Méthodologie
5.2.2 Résultats et analyse
5.3 Résistance à la compression après un impact
5.3.1 Méthodologie
5.3.2 Résultats et analyse
5.4 Résistance à la propagation d’une fissure interlaminaire (Mode I)
5.4.1 Méthodologie
5.4.2 Résultats et analyse
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I PROPRIÉTÉS DES CONSTITUANTS
ANNEXE II NOMENCLATURE POUR LES PRÉFORMES, PLAQUES ET SPÉCIMENS
ANNEXE III RÉSULTATS DÉTAILLÉS POUR LES ESSAIS RÉALISÉS SUR DIVERSES COMBINAISONS DE PARAMÈTRES DE MISE EN FORME (CHAPITRE 3)
ANNEXE IV RÉSULTATS DÉTAILLÉS POUR LES ESSAIS PORTANT SUR LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES STATIQUES DES STRATIFIÉS (CHAPITRE 4)
ANNEXE V RÉSULTATS DÉTAILLÉS POUR LES ESSAIS PORTANT
SUR LA TOLÉRANCE À L’ENDOMMAGEMENT DES
STRATIFIÉS (CHAPITRE 5)
BIBLIOGRAPHIE
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