Étude du comportement des matériaux composites en aéronautique

Le comportement des matériaux composites, notamment ceux à base de fibres de carbone et de verre, est analysé dans le contexte aéronautique. L’étude repose sur des essais mécaniques et des simulations Abaqus, offrant une compréhension approfondie de leurs propriétés physiques et de fatigue.

Université M’hamed Bougara de Boumerdès

Faculté des sciences

Département de physique

Master en physique

Spécialité : Physique des matériaux

Mémoire de master pour obtenir le diplôme de :

Étude du comportement mécanique des matériaux composites destinés à l’aéronautique

Asma Bessaad

Dirigé par:
MAZOUZ H.M Ahmed (MCA UMBB) – Président,
SERSOUR Zakia (MAA UMBB) – Examinatrice,
ARIBI Chouaib (MCA UMBB) – Encadrant,
TOUBANE Mahdia (MCA UMBB) – Co-encadrante

Soutenu le 29/09/2022

ملخص

الهدف من هذا العمل هو دراسة الرشاحئ املركبة القامئة عىل أألياف الكربون وا أللياف الزجاجية وراتنجات الايبوكيس املس.تخدمة يف جمال الطريان من النوع

إلجراء الاختبارات الاس.تاتيكية واختبارات ا إلهجاد للامدة وأأيضا الاختبارات الفزيايئية من اجل دراسة معمقة أأكرث.

يمت حتضري العينات وفق طرق املعايري املعمول هبا

أأظهرت النتاجئ اليت مت العثور علهيا ا ألداء العايل ملركبات أألياف الكربون من حيث مقاومة التعب، وهو ما يفرس اس.تخداهما يف ا ألجزاء شديدة ا إلهجاد يف الطائرة،

وقد أأوحضت اختبارات احملااكة بواسطة برانمج Abaqus إاماكنية التنبؤ بسلوك هذه املركبات يف جمال املرونة من خالل تغيري املعلامت اخلاصة هبا.

لكامت مفتاحية: الايبوكيس، أألياف الكربون، أألياف زجاجية، املوجات فوق الصوتية، برانمج Abaqus

Résumé

L’objectif de ce travail est consacré à étudier les stratifiés composites à base de fibre de carbone, fibre de verre et résine époxy de type Epocast 50-A, utilisés dans le domaine aéronautique.

Les éprouvettes sont préparés selon les modalités des normes en vigueurs pour réaliser les essais mécaniques statiques et les essais de fatigue.

Les résultats trouvés montrent la haute performance des composites à base de fibre de carbone en termes de résistance à la fatigue, ce qui explique leurs utilisations dans la partie hautement sollicitée dans l’avion.

Des tests de simulation par logiciel Abaqus ont clarifiés la possibilité de prévision de comportement de ces composites dans leur domaine élastiques à travers de leurs propres paramètres.

Mot clés : Epoxy, fibre de verre, fibre de carbone, Ultrasons, Abaqus.

Abstract

The objective of this work is devoted to studying composite laminates based on carbon fibers, fiberglass and epoxy resin of the Epocast 50-A type, used in the aeronautical field.

The specimens are prepared according to the methods of the standards in force to carry out the static tests and the fatigue tests.

The results found show the high performance of carbon fiber composites in terms of fatigue resistance, which explains their use in highly stressed parts in the aircraft.

Simulation tests by Abaqus software clarified the possibility of behavior prediction of these composites in its elastic domain through its own parameters.

Keywords : Epoxy, fiberglass, carbon fibers, Ultrasound, Abaqus.

Introduction générale

La physique des matériaux repose sur l’étude de comportement des matériaux et leurs propriétés à différentes échelles notamment les propriétés électriques, physiques, optiques, magnétiques, chimiques, thermiques et mécaniques. Cela peut dépendre de variables externes (T, P).

Le domaine industriel de l’aéronautique exige des matériaux avec des propriétés de haute performance mécanique, bien conçus et sévèrement contrôlés, pour cela les concepteurs façonnent des matériaux composites à base de fibres continus, en les développant chaque année dans diverses réalisations de haute technologie.¹

Dès le début des années 1960, les matériaux composites (fibres/matrice) sont apparus dans le domaine aérospatial, comme dans de nombreux autres domaines, pour remplacer les alliages métalliques en raison de leur légèreté et leur résistance spécifique élevée (résistance dépendant de la densité, d’une meilleure résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue)². Aussi les matériaux du transport aérien doivent respecter différents critères d’élasticité, réduisant ainsi les coûts de production. Les composites à matrice polymère (ou PMC) ont d’abord été introduits dans les structures aéronautiques. D’abord avec des composites renforcés en fibres de verre puis avec des composites renforcés en fibres de carbone à partir du début des années 1970.³

Dans ce travail, nous nous sommes en premier lieu concentrés sur l’élaboration de deux types de matériaux composites (carbone/époxy) et (verre/époxy), par la méthode de moulage sous vide. Par la suite, étudier les propriétés physiques et mécaniques des éprouvettes à travers des essais mécaniques : traction, flexion et fatigue. Ensuite faire une étude de contrôle de nos échantillons par la méthode non destructive d’ultrasons.

Nous terminons notre travail par une étude du comportement mécanique par traction de composite à l’aide d’un logiciel de simulation Abaqus pour une validation des résultats expérimentaux. Ce mémoire s’articule en trois chapitres. Dans le 1er chapitre nous donnerons en premier quelques notions fondamentales sur les matériaux et leurs propriétés mécaniques, et deuxièmement, étudier l’aspect physico mécanique de composite spécifiquement, avec une description des techniques les plus importantes de fabrication des matériaux composites, et leurs intégrations et exigences en aéronautique dernièrement.

Le 2^ème chapitre inclut l’étape d’élaboration des échantillons et les différents tests réalisés pour la caractérisation, durant un stage pratique au sein de la base de maintenance d’Air Algérie (Atelier plastiques et composites), ainsi pour les procédés de caractérisations par les essais mécaniques qui sont réalisés au Centre National d’Etudes et de Recherches Intégrées du Bâtiment à Souidania (CNERIB) et au sein d’unité de recherche (URMPE) à l’université de Boumerdès pour les tests physiques. Ensuite nous étudierons l’inspection de nos composites par la méthode CND des ondes ultrasons au centre de recherche à Cheraga (CRTI).

Dans le 3^ème chapitre nous discuterons les résultats obtenus dans l’étude expérimentale ainsi que la simulation pour ensuite faire une comparaison de comportement mécanique de nos deux composites verre/époxy et carbone/époxy.

Nous terminons ce manuscrit par une conclusion générale et des perspectives et d’une annexe sur la fabrication des tissus de verre et de carbone avec les références bibliographiques utilisées.

Références d’introduction générale

1. ¹ Berthelot, J.-M., Matériaux composites. Comportement mécanique et analyse des structures, 1999. 4. ↑
2. ² Chapuis, D., V. Aerts, and R. Bonneville, Chapitre 4: Les nouveaux matériaux composites pour l’aéronautique par Vincent Aerts, in Chimie, aéronautique et espace. 2021, EDP Sciences. p. 75-84. ↑
3. ³ Cinquin, J., Les composites en aérospatiale. 2002: Ed. Techniques Ingénieur. ↑