UFR Physique et Ingénierie - Campus Meinau - Dimensionnement et conception des pièces composites
Avant de modéliser et concevoir des pièces en composites, il y a nécessité de connaître les lois de comportement des matériaux constitutifs de la structure voire de la structure elle-même (pour la structure il s’agit plutôt d’essais de qualification et de vérification post conception).
Les approches analytiques pour connaître le comportement des stratifiées sont parfois limitées (exemple : loi des mélanges) et sont souvent utilisées pour un pré-dimensionnement.
Une fois un produit présélectionné (exemple : tissu particulier), les essais sont un bon moyen de connaître précisément les comportements des plis constitutifs d’un stratifié.
Les essais suivants permettent de remonter aux propriétés intrinsèques du ou des produit(s) constitutif(s) dits « composants » :
| Paramètres recherchés | Sollicitations | Références |
|---|---|---|
| E1,ν12, X+ | Traction longitudinale dans le plan 1-2 | (1) |
| E2, ν23, Y+ | Traction transversale dans le plan 2-3 | (1) |
| ν13 | Traction longitudinale dans le plan 1-3 | K. Khellil |
| Z+ | Traction dans l’épaisseur | K. Khellil |
| X- | Compression longitudinale guidée | Norme NF T 57-103 |
| Y- | Compression transversale guidée Compression sur cubes | Norme NF T 57-103 K. Khellil (2) et (3) |
| E3, Z- | Compression sur cubes | K. Khellil (2) et (3) |
| G12
τ12 ultime = S | Traction orientée (off-axis) ou traction cisaillement plan [+-45°] Rail-shear avec 2 ou 3 rails | ASTM D3518-76 |
| G12 et G23 | Torsion d’un barreau rectangulaire | K. Khellil |
| τ13 ultime = R | Flexion sous appuis rapprochés | ASTM D790-71 |
| τ23 ultime = Q | Cisaillement type IOSIPESCU | ASTM D4250 |
| F12, F13, F23 | Double compression sur cubes | K. Khellil |
En règle générale, tous les essais répondant à un cahier des charges pour une application particulière.
Pour les structures sandwiches, les essais suivants sont les plus représentatifs :
Il s’agit de parler le même langage entre concepteurs et fabricants afin d’obtenir la structure en concordance avec les résultats de dimensionnement effectué.
Exemple du passage de la « TVF » vers le « Grammage » du tissu : formule approchée
Gram = epli * Vf * d
Partie déjà vue en cours dans le chapitre 4, où l’on a vu que le critère le mieux adapté pour les stratifiés était le critère de Tsaï-Wu. Il faut cependant faire attention aux hypothèses simplificatrices qui sont prises en compte pour accéder à certains coefficients du critère.
L’approche la plus générale en dimensionnement est souvent le FPF (First Ply Failure), bien que parfois pour des applications particulières (exemple : le crash) on prendra la LPF (Last Ply Failure). Prédimensionnement
Voir les exemples traités dans le chapitre 26 du livre de Berthelot : « Matériaux composites, comportement mécanique et analyse des structures », Ed. Masson.
La liaison d’une pièce composite avec d’autres pièces se fait soit par collage, soit par assemblage par l’intermédiaire d’un rivet, d’un boulon ou d’une pièce appelée « insert ».
cet insert, dans le cas d’un sandwich, est en général noyé dans l’âme du sandwich et bloqué par le collage des peaux qui reviennent par dessus.
Les colles sont les mieux adaptées pour l’assemblage des matériaux composites à matrices organiques. Cependant, il est important de connaître les propriétés de ces colles et leur domaine d’utilisation (conditions de température et d’humidité importantes).
Pour les colles, il vaut mieux les faire travailler en cisaillement ! ! !
En référence, voir les photocopies tirées d’un recueil du CETIM : « Assemblage des matériaux composites, structures sandwichs et matières plastiques ».
Prenez garde à l’approche éléments finis qui peut mener à des solutions séduisantes mais irréalisables. Ainsi, concevez en connaissant au préalable les possibilités de mise en œuvre des composites (importances des discussions avec les fournisseurs).
Nadia Bahlouli, ULP - IPST - IMFS