SAN-OM-29
Endommagement artificiel des raidisseurs
REVUE DE LA LITTÉRATURE:
Mise en situation:
Cette maîtrise a été complétée à l’intérieur du projet CRIAQ COMP-501 : Préformes textiles 3D pour fabrication de pièces composites complexes. Ce projet regroupe des partenaires industriels œuvrant dans le domaine aérospatial (Bombardier Aerospace, Bell Helicoptère, Hutchinson Aerospace, Delastek, Texsonic) et des universités canadiennes (École de technologie supérieure (ÉTS), Université d’Ottawa, Université Laval). Il est important de souligner que le projet est accompli dans un contexte industriel et que plusieurs décisions ont été prises pour satisfaire aux besoins des industrielles. Cette section présente les objectifs du projet COMP-501 ainsi que la démarche.
Objectif:
Le projet COMP501 vise à démontrer la fabrication de préformes textiles 3D ainsi que leur transformation en pièces composites complexes par infusion liquide. L’intérêt industriel du projet est au niveau de l’accélération de la cadence de production et de la réduction de la variabilité entre les pièces. Les objectifs principaux du projet sont: caractériser les performances de mise en forme des préformes textiles (drapabilité, piquabilité, maintien de l’intégrité physique, imprégnabilité), caractériser les propriétés mécaniques des composites (traction, cisaillement inter laminaire, impact) et démontrer la fabrication de géométrie 3D complexes à échelle ajustable. (CRIAQ, 2015)
Matériaux composites:
Les matériaux composites se composent d’au moins deux matériaux différents qui sont combinés pour produire une composante. Généralement, le terme composite réfère à un matériau se composant de renforts fibreux (carbone, verre) intégrés dans une matrice de polymère (thermoplastique ou thermodurcissable). Ces matériaux sont typiquement utilisés dans des applications où le poids est une caractéristique à réduire puisque leurs propriétés spécifiques sont plus intéressantes que celles des métaux. Cette section survole certaines généralités des matériaux composites à matrice plastique utiles à la compréhension de ce mémoire.
Influence de la couture et revue de la première partie du projet COMP-501 :
Cette section présente l’influence du procédé de couture sur les propriétés des préformes textiles. La revue comprend un retour sur les résultats de la première partie du projet COMP501 ainsi que des travaux de recherche sur des structures cousues, telles que des raidisseurs en « T ». Afin de comprendre le rôle de la couture sur certaines propriétés mécaniques, il est important de survoler son interaction avec les tissus au point de vue textile. Tel que présenté à la section 1.1.3, la couture peut être considérée comme un renfort interlaminaire puisqu’elle rajoute un fil de couture transversal. Par contre, la couture est généralement considérée comme une perturbation qui réduit les propriétés mécaniques dans le plan du laminé. Les deux mécanismes expliquant cette réduction sont le bris des fibres durant l’opération de couture et le désalignement des fibres par le fil couture. On suppose que le bris des fibres est causé par la tête de l’aiguille lorsqu’elle pénètre le laminé et par les forces de cisaillement qui sont générées par le glissement de l’aiguille et du fil de couture. La rupture des fibres réduit donc les propriétés dans le plan puisque la redistribution de la charge est moins efficace. Le deuxième mécanisme, soit désalignement des fibres, est produit par la tension dans le fil de couture qui comprime et écarte les fils dans la couture (C. Sickinger, 2001). Les propriétés dans le plan sont donc réduites par les distorsions, illustrées à la Figure 1.9, qui désalignent localement les fibres. De plus, suite au procédé d’injection de résine liquide, les espaces vides autour des distorsions sont comblés par des poches de résine qui sont faibles mécaniquement et seraient propices à l’initiation de fissures. Il est généralement accepté que le mécanisme de distorsion est le principal responsable de la dégradation des propriétés dans le plan. (Mouritz, Leong et Herszberg, 1997)
DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE:
Ce chapitre présente la démarche expérimentale de l’étude de raidisseurs assemblés par de la couture. La géométrie, les matériaux et la séquence d’empilement des laminées sont d’abord présentés. Ensuite, la technique de couture utilisée pour l’assemblage des préformes et les différents motifs étudiés sont présentés. La procédure de mise en forme est ensuite décrite. Finalement, le plan de test bâti pour étudier l’influence de la couture sur les raidisseurs est présenté.
Géométrie étudiée :
La géométrie du raidisseur en « T » a été choisie pour représenter une pièce générique retrouvée dans les structures aéronautiques. La Figure 2.1 est une vue de face détaillant les dimensions. La pièce se compose d’un voile, d’une peau, d’une semelle et d’une nouille. Le voile et la peau sont composés d’un stratifié de 20 plis ayant une épaisseur de 4,3 mm. Le nombre de couches a été choisi afin de ressembler aux coupons plats étudiés dans la première partie du projet. Le voile est fixé à la peau en chevauchant un demi-voile de chaque côté sur la peau. La semelle combine donc une peau et un demi-voile. Cette section de 30 plis a une épaisseur de 6,45 mm. Le voile est plié sur un rayon de 4,3 mm, soit égal à l’épaisseur du voile. Le rayon a été choisi en fonction des recommandations des partenaires industriels. Le rayon permet une transition lisse afin d’éviter des distorsions dans l’empilement du voile. Finalement, la nouille permet de combler l’espace entre la peau et les deux demi-voiles. Son aire est de 17,8 mm2. Son dimensionnement est dépendant des paramètres du voile et de son rayon de courbure. La nouille assure une compaction adéquate des laminés en périphérie. Les quatre sections sont fabriquées par une seule opération d’infusion, ce qui pourrait s’apparenter à de la cocuisson dans le domaine des pré-imprégnés. La largeur et la hauteur du spécimen sont fixées en fonction du dégagement requis pour les essais d’arrachement (4.1.1).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Mise en situation
1.1.1 Objectif
1.1.2 Étapes du projet
11.1.3 Couture « One-Sided »
1.2 Matériaux composites
1.2.1 Type de renforts
1.2.2 Type d’empilement
1.2.3 Théorie classique des laminés
1.3 Influence de la couture et revue de la première partie du projet COMP-501
1.3.1 Paramètres étudiés
1.3.2 Propriétés dans le plan
1.3.3 Influence de la couture sur la mise en forme
1.3.4 Résistance à la propagation de l’endommagement
1.3.5 Tolérance à l’endommagement
1.4 Évaluation des propriétés d’un élément selon l’approche du « Building-Block »
1.4.1 Essais d’arrachement
1.4.2 Essais de flexion trois-points
1.4.3 Mode d’instabilité
1.5 Méthode d’estimation numérique
1.5.1 Flexion trois-points : Théorie des poutres
1.5.2 Flambage local
1.5.3 Crippling
1.5.4 Flambage global
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Géométrie étudiée
2.2 Matériaux
2.3 Séquence d’empilement
2.4 Préparation des spécimens
2.5 Assemblage des préformes textiles
2.6 Paramètre de couture
2.7 VARI (Vaccuum-Assisted-Resin-Infusion)
2.8 Préparation des spécimens
2.9 Plan de test
2.9.1 Évaluation de la qualité des raidisseurs en « T » fabriqués à l’aide de préforme cousue
2.9.2 Évaluation des performances mécaniques des raidisseurs en « T » fabriqués à l’aide de préforme cousue
2.10 Propriétés des matériaux
CHAPITRE 3 ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DES RAIDISSEURS EN « T » FABRIQUÉS À L’AIDE DE PRÉFORMES COUSUES
3.1 Évaluation de la géométrie des raidisseurs
3.1.1 Méthodologie
3.1.2 Résultats
3.2 Mesure des constituants
3.2.1 Méthodologie
3.2.2 Résultats
3.3 Observation de la nouille
3.3.1 Méthodologie
3.3.2 Résultats
CHAPITRE 4 ÉVALUATION DES PERFORMANCES MÉCANIQUES DES RAIDISSEURS EN «T» FABRIQUÉS À L’AIDE DE PRÉFORMES COUSUES
4.1 Résistance à l’arrachement
4.1.1 Essais d’arrachement
4.1.2 Contrôle par ressuage
4.1.3 Résultats
4.1.3.1 Essais d’arrachement symétrique
4.1.3.2 Essais d’arrachement asymétrique
4.2 Rigidité en flexion
4.2.1 Modèle numérique
4.2.2 Essai de flexion trois-points
4.2.3 Résultats
4.3 Sélection d’un motif préférentiel
4.4 Résistance à la compression et comportement en post-flambement
4.4.1 Modèle numérique
4.4.2 Essai de compression
4.4.3 Endommagement des raidisseurs
4.4.4 Résultats
4.4.4.1 Prévision du comportement d’un raidisseur chargé axialement en compression
4.4.4.2 Endommagement artificiel des raidisseurs
4.4.4.3 Essais de compression
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ARTICLE DE CONFÉRENCE
ANNEXE II FICHES TECHNIQUES DES MATÉRIAUX
ANNEXE III DESSINS DE DÉTAIL
ANNEXE IV INFORMATIONS DES ESSAIS MÉCANIQUES
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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