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Essais & Simulations n°104-105

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Dossier : Essais virtuels

Applications

Applications Industrielles Expérimentation Tolérance aux dommages et machine d’impacts Un moyen original développé par Astrium L’utilisation des matériaux composites a connu une forte progression depuis ces 10 dernières années dans de nombreux secteurs industriels et a généré des études de tolérance aux dommages. Pour répondre à ce besoin, une machine d’impacts pour des structures de grandes dimensions a été développée. Cette présentation a pour but de montrer la démarche et les résultats du développement de la machine à impacts. L’utilisation des matériaux composites n’a cessé d’augmenter depuis ces 10 dernières années dans de nombreux secteurs industriels et plus particulièrement dans les domaines liés à la défense, l’aéronautique et l’espace. Les pièces en matériaux composites sont implantées dans des zones critiques et remplacent de plus en plus les pièces métalliques. Les derniers avions de la gamme Airbus possèdent de nombreuses pièces en fibres de carbone comme le caisson central. Il en est de même dans le secteur des lanceurs qui sont réalisés par enroulement filamentaire de fibres de carbone préimprégnées. “ Un moyen peu encombrant pour une meilleure manutention, orientation et mise en place. ” Les travaux de tolérance aux dommages engagés sur les corps de propulseur en carbone du M51 ont pour objectif de déterminer pour chacun des sous-ensembles propulsifs l’énergie maximale de choc admissible sans baisse de performance significative et sans remise en cause du respect des exigences de sûreté. Les défauts peuvent apparaître sur une structure dès la fabrication de celle-ci ou peuvent être générés au cours de sa vie. D’une façon générale, on définit la tolérance aux dommages par la capacité d’une structure à ne pas rompre de façon prématurée en service opérationnel sous l’effet d’un dommage obtenu par impact accidentel, en maintenance, ou par des effets répétés de chargement (fatigue, acoustique, dynamique), par des effets environnementaux et ce jusqu’à ce que le dommage soit détecté et réparé. Les matériaux composites à base de fibres de carbone ont une sensibilité importante aux défauts du fait de leurs propriétés anisotropes. Logique des travaux de tolérance aux dommages conduite par Astrium Astrium a élaboré sa propre logique d’essai de tolérance aux dommages afin de répondre au mieux aux besoins du client. Cette logique a été approuvée par le client. Afin de déterminer les niveaux de choc admissibles, l’étude sur la tolérance aux dommages a été effectuée en 3 phases. Première phase : réalisation d’impacts sur un grand nombre d’éprouvettes de différents types à échelle réduite (diamètre inférieur à 500 mm). Ces éprouvettes sont représentatives des zones estimées les plus critiques sur les corps de propulseur. Lors de cette phase, de nombreuses éprouvettes (voir figures 1 et 2) ont été impactées à différents niveaux d’énergie, puis ont été sollicitées mécaniquement en pression interne, en compression, etc. DR DR Mots-clés Chocs, machine d’impacts, tolérance aux dommages, Astrium, matériaux composites, corps de propulseur. Figure 1 : éprouvette phi 304. Figure 2 : éprouvette phi 450. Ces phases d’essais ont permis de mettre en évidence des niveaux d’énergie pour chacune des zones critiques. La réalisation des impacts sur les structures à échelle réduite a été effectuée E SSAIS & S IMULATIONS ● OCTOBRE, NOVEMBRE, DÉCEMBRE 2010 ● PAGE 38

Applications Industrielles DR Figure 5 : corps de propulseur de M51 (1 er étage). DR Figure 3 : machine Dynatup. DR Figure 4 : structure à l’échelle 1/2. avec une machine du commerce de marque Dynatup (voir figure 3). Le fonctionnement de cette machine est basé sur le principe d’une masse tombant en chute libre ; cette masse est équipée d’un embout hémisphérique de diamètre 16 mm. Cette machine est équipée de vérins pneumatiques garantissant un unique impact sur l’éprouvette (pas de rebonds successifs). Deuxième phase : réalisation d’impacts sur une structure représentative d’un corps de propulseur à l’échelle 1/2 (voir figure 4). Les travaux et études liés à la tolérance aux dommages, conduits sur les éprouvettes à échelles réduites, ont permis de déterminer les zones les plus judicieuses à impacter sur une structure à échelle 1. Ces zones correspondent aux zones dimensionnantes des corps de propulseur protégés ainsi qu’aux zones identifiées comme présentant des risques d’impacts pouvant avoir lieu en atelier lors d’opérations d’intégration, de maintenance ou également en cours de manutention. Troisième phase : les essais réalisés sur les différentes structures à échelles réduites et échelle 1/2 ont permis de déterminer des niveaux d’énergie à appliquer sur une structure échelle 1 : le corps de propulseur du premier étage du M51 (voir figure 5). Pour les phases d’essais sur les structures de grandes dimensions (échelle 1/2 et échelle 1), la réalisation d’impacts a été effectuée avec une machine spécifiquement développée par Astrium. Les dimensions trop importantes des structures échelle 1/2 et échelle 1 rendent impossible l’utilisation de la machine Dynatup ayant servi pour les impacts sur éprouvettes à échelles réduites. “ Les matériaux composites àbase de fibres de carbone ont une sensibilité importante aux défauts. ” Machine d’impacts pour structures de grandes dimensions Caractéristiques générales de la machine Les impacts réalisés dans le cadre de l’étude sur la tolérance aux dommages des matériaux composites sont réalisés à “basses vitesses” (inférieure à 5 m/s). La machine développée par Astrium permet d’effectuer des impacts entre 2 et 200 joules à des vitesses inférieures à 5 m/s. Astrium a développé un moyen constitué de plusieurs sous-ensembles qui sont : le système mécanique à ressorts (“tête d’impacts”), un boîtier électrique de commande, un système de conditionnement et d’enregistrement des mesures, DR Figure 6 : moyen développé par Astrium. un bâti de fixation de la “tête d’impacts” ainsi qu’un logiciel de traitement des signaux de mesure (voir figure 6). Le faible encombrement de ce moyen (longueur d’environ 1 mètre et masse de 70 kg) lui confère des possibilités de manutention, d’orientation et de mise en place extrêmement flexibles. L’embout, également appelé “impacteur”, correspond à l’extrémité de la machine, sa géométrie est de forme hémisphérique pour un diamètre de 16 mm. Cet embout est interchangeable et correspond à des normes utilisées dans le cadre de la tolérance aux dommages par les principaux industriels de l’aéronautique. Ce type d’“impacteur” a la propriété de provoquer un maximum de dégradations internes dans les matériaux composites (délaminages) pour un dommage visuel a priori peu important. Le choix de cet “impacteur” est considéré comme étant le plus pénalisant. 2 ressorts étalonnés sont tendus à l’aide d’une vis ; lors de l’impact, ils propulsent une masse d’environ 16 kg guidée par des colonnes à billes. Un capteur digital permet de lire et de régler la cote de compression des ressorts. L’énergie appliquée sur la structure au moment de l’impact est alors directement liée à la flèche de compression des ressorts. Un E SSAIS & S IMULATIONS ● OCTOBRE, NOVEMBRE, DÉCEMBRE 2010 ● PAGE 39

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