Conception, modélisation, fabrication et validation expérimentale d'une structure d'aile en matériaux composites

Résumé

Ce travail donne suite au projet CRIAQ 7.1 qui avait pour objectif : « l’amélioration de l’écoulement laminaire sur une voilure aéroélastique » [1] et a mené au développement d’un prototype d’aile dont une section de l’extrados est adaptative. Cette section flexible, en composite, est fixée à une base pleine en aluminium. Le présent ouvrage porte sur la conception d’une structure en matériaux composites pouvant remplacer la base en aluminium du projet CRIAQ 7.1. Un modèle d’analyse par éléments finis y est développé et validé expérimentalement afin de permettre la prédiction des déplacements de cette structure sous différents chargements statiques. D’abord, une première investigation est menée au niveau du procédé de fabrication par infusion assistée du vide, à l’aide de l’analyse des pourcentages volumiques de fibre (ASTM D 3171) et de vide (ASTM D 2734) de 131 échantillons provenant de 13 plaques aux stratifiés différents. Pour ce faire, les deux composites utilisés ont étés le T300 unidirectionnel/8604 et le T300 sergé 2x2/8604. Ainsi, les valeurs respectives de 65 % et de 59 % du pourcentage volumique de fibre, et de 0.3 % et 1.4 % pour celui du vide, avec des écarts-types pour toutes les valeurs inférieures à 1 %, ont permis de conclure que le procédé est stable et que les pièces produites présenteront des propriétés mécaniques similaires. Ces propriétés mécaniques sont ensuite obtenues à l’aide de tests de tensions, exécutés selon les normes ASTM D 3039 et ASTM D 3518. Ensuite, une structure facile à fabriquer, constituée de deux longerons, huit nervures, un extrados et un intrados, est sélectionnée comme point de départ pour la conception. L’envergure de celle-ci est fixée à deux mètres et le logiciel CATIA-V5 est utilisé pour sa modélisation 3D. Puis, une étape portant sur la comparaison des résultats expérimentaux et numériques de 217 éprouvettes rectangulaires, soumises à des chargements en tension et en flexion, a permis de valider un premier modèle numérique simple et de prédire les sources d’erreurs des futurs modèles plus complexes. Un premier modèle EF de la structure simplifiée est par la suite utilisé pour déterminer les positions des longerons de façon à optimiser la rigidité en flexion et en torsion de la section. Cette étape est nécessaire afin de fixer le centre de gravité de la structure; cette valeur étant utile aux calculs des forces aérodynamiques. Le logiciel Ansys classique et un code APDL ont été utilisés pour toutes les analyses EF. Les chargements aérodynamiques sont déterminés à l’aide des profils de portance obtenus en soufflerie lors du projet CRIAQ 7.1. La force de portance et le couple de torsion, engendrés par la distance entre le centre de gravité et le centre de poussée, sont calculés pour les 35 conditions de vol testées expérimentalement dans le cadre du projet CRIAQ 7.1. Les valeurs maximales de 3590 kN, pour la force de portance, et de 295 Nm, pour le couple de torsion, sont utilisées lors de la conception des stratifiés. Un critère nommé Indice d’optimisation structurel du stratifié (IOSS) est ensuite développé en vue de permettre la comparaison de plusieurs stratifiés soumis à des chargements en tension et en cisaillement, ces derniers étant respectivement engendrés par la flexion et la torsion de la structure. Le logiciel Matlab est alors utilisé pour la programmation d’un algorithme permettant le calcul de l’IOSS et du critère de Tsai-Wu (TW) de différents empilements au niveau de l’extrados et de l’intrados de cette structure. Au total, 59 385 stratifiés sont comparés, permettant ainsi de fixer à six le nombre de plis de départ pour les analyses EF. Le modèle EF de la structure simplifiée est réutilisé pour l’optimisation finale de l’orientation des plis de l’intrados et de l’extrados. Finalement, une analyse de flambage de l’extrados est réalisée pour déterminer le nombre de nervures. L’ajout d’un pli permet de fixer la longueur critique de flambage à 250 mm avec un facteur de sécurité (FS) de 2. Un modèle EF complet de la structure est alors développé afin de procéder aux analyses finales. Ses valeurs de déplacements seront comparées à celles qu’obtiendra le prototype réel, lors d’essais expérimentaux. Le modèle EF final comprend toutes les composantes de la structure, les joints de collages et les modifications apportées au modèle pour permettre le chargement statique. Un prototype de la structure est subséquemment fabriqué et testé. En premier lieu, des contres-formes sont modélisées pour chaque composante. Par la suite, elles sont usinées dans un centre d’usinage pour bois. Elles permettront la création des moules en polyester et fibre de verre utile à l’infusion (VARTM) des composantes. Enfin, un gabarit d’assemblage est utilisé pour le collage de la structure interne, de l’extrados, de l’intrados et des points d’attache des charges. Lors des tests expérimentaux, la structure de l’aile est encastrée à une extrémité, avec l’extrados qui pointe vers le sol. Trois chargements différents sont imposés à l’aide de sacs de sable. Finalement, un ajustement de la rigidité axiale du composite unidirectionnel (128 GPa à 118 GPa) du modèle numérique a permis de reproduire les déplacements en flexion observés lors des tests de chargements statiques avec un pourcentage d’erreur inférieur à 2 %.

Date	9 mai 2012
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vladimir Brailovski (Directeur(-trice)) & Patrick Terriault (Codirecteur(-trice))