Objectifs :
L'apprenant sera capable de :
- définir le rôle du renfort fibreux dans le comportement mécanique du matériau composite stratifié,
- distinguer, en fonction des méthodes de fabrication, les quatre grandes familles de structures.
Résumé :
Un matériau composite renforcé de fibres longues ne possède pas les mêmes caractéristiques mécaniques et physiques dans toutes les directions : il est ANISOTROPE.
Les caractéristiques d'un stratifié sont donc étroitement liées à l'ORIENTATION et à la QUANTITÉ des fibres.
Le principal intérêt de l'anisotropie d'un composite stratifié est de pouvoir ÊTRE ADAPTÉE au moment de sa conception, pour obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées.
Les principes de construction principalement utilisés pour les pièces en matériaux composites sont :
- la structure MONOLITHIQUE,
- la structure SANDWICH (traversant ou de type coque),
- la structure BOBINÉ,
- la structure AUTO-RAIDIE (très performante pour des pièces fortement chargées).
La structure dite monolithique est composée de pièces elles-mêmes monolithiques.
La structure sandwich peut remplir intégralement le profil de la pièce : on a affaire à une structure nid d'abeilles TRAVERSANT.
Elle s'utilise également pour réaliser une structure de TYPE COQUE : dans ce cas, les différents éléments sont constitués de deux peaux collés sur une âme en nid d'abeilles de faible épaisseur.
Pour réaliser chacune de ces deux structures, deux gammes différentes sont utilisées :
- la gamme MULTIPHASE pour laquelle les différents composants de la structure sont réalisés séparément puis assemblés,
- la gamme MONOPHASE pour laquelle la structure est réalisée par polymérisation, et collage de tous les éléments, simultanément dans une même opération de moulage.
La structure bobinée est parfaitement adaptée aux pièces de révolution sous pression.
La structure auto-raidie permet la réalisation de pièces élancées avec de fines épaisseurs de peaux.
Objectifs :
L'apprenant sera capable :
- d'énoncer les étapes de la démarche générale de conception qui a permis cette forte utilisation des composites,
- de donner le but des essais pratiqués dans le cadre de cette démarche,
- d'énoncer et justifier les principales règles de conception nécessaires à la maitrise des performances attendues,
- d'énoncer et justifier les principales règles d'assemblage,
- d'énoncer et justifier les principales règles de drapage (règles de conception du drapage d'un stratifié) qui permettent de maîtriser le comportement physique du stratifié tout en tenant compte des critères de faisabilité,
- d'effectuer la lecture des plans de définition des couches (plans et tableaux de drapage),
- d'expliquer l'utilité des plis morts et du lâcher de plis.
Résumé :
La démarche de conception nécessaire à la réalisation de structures primaires est basée sur la réalisation d'essais et se décline en huit étapes (étude des matériaux, de la faisabilité de la fabrication, des accidents de structure, de la tenue aux endommagements, établissement des lois d'épaisseur, validation de la reproductibilité et la certification).
Les propriétés spécifiques du matériau composite imposent au concepteur d'appliquer certaines règles principales. Ces règles attirent notamment l'attention sur le caractère anisotrope du matériau. Elles ont aussi pour rôle de persuader le concepteur qu'en aucun cas, les règles de dimensionnement des matériaux métalliques, ne doivent être appliquées systématiquement aux matériaux composites.
Quelques règles d'assemblage permettent d'assurer correctement les transferts d'efforts par collage et par fixations mécaniques.
Le collage nécessite le respect des points suivants : la préparation (dégraissage, décapage, ...), l'orientation des fibres de la première couche, les matériaux (coefficients de dilatation différentielle...).
Le principal inconvénient pour l'assemblage de structures composites carbone par fixation mécanique provient de l'affaiblissement local dû à la présence de trous et d'un rapport performances/poids défavorable.
Dans le cas d'un matériau continu, la meilleure méthode pour passer un flux d'efforts par la zone trouée, identique à celui de la partie courante, est d'augmenter l'épaisseur au droit du trou.
Dans le cas d'un matériau discontinu, et pour un transfert d'efforts par les fixations, le critère dimensionnant est le matage. Dans le but de mieux utiliser le matériau, on désire le faire travailler en traction à la limite de sa contrainte admissible : la solution est d'augmenter le nombre de rangées pour accroître le flux d'efforts transmissible sans élever la contrainte de matage appliquée.
Pour un transfert d'effort important le seul moyen pour exploiter le matériau composite est de faire supporter, par une pièce d'extrémité en alliage de titane, les flux d'efforts passant par les fixations.
Concevoir une pièce en composites nécessite le respect de règles dites de "drapage". Ces règles permettent de s’affranchir d’un certain nombre de comportements physiques générés par le caractère anisotropique des stratifiés composites et néfastes à l’obtention d’une tenue mécanique maitrisée et suffisamment performante. Ces règles de drapage consistent, pour l'essentiel, à indiquer les types de séquencement les plus pertinents que le concepteur va devoir adapter au besoin.
Et enfin pour finir, le cours aborde quelques ordres de grandeur de tolérances dans le domaine des composites, des compléments sur les épaisseurs calibrées et le lâcher de plis.
Objectifs :
L'apprenant sera capable :
- de décrire les principales étapes de la procédure de caractérisation d'une plaque ;
- d'utiliser des abaques et quelques règles de prédimensionnement simples.
Résumé :
La loi de comportement mécanique du pli traduit l'anisotropie de la strate unidirectionnelle par la présence de deux modules d'élasticité en traction différents, E1 et E2 et de deux coefficients de Poisson u12 et u21.
Les quatre caractéristiques élastiques du pli, E1, E2, G12 et u12 peuvent être déterminées par :
- calcul micromécanique à l'aide des caractéristiques des fibres et de la matrice,
- essais mécaniques de caractérisation : traction, flexion, cisaillement.
Pour le calcul des caractéristiques d'une plaque mince en matériaux composites stratifiés sont utilisé des abaques permettant la détermination rapide des caractéristiques élastiques du stratifié.
Comme pour tout type de matériau un critère de rupture est utilisé pour les plaques en stratifié sollicitées en membrane : c'est le critère de Hill.
Il caractérise la tenue du stratifié à la rupture du premier pli.
Des règles semi-empiriques permettent de dimensionner les pièces dans les zones de singularité de structure.
L'effort à la rupture se détermine par application du critère dans chaque pli. Dans le cas des trous, la résistance en traction est affaiblie de 40% à 60% et la résistance en compression de 15%. C'est une des particularités des matériaux composites.