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Simulation de la thermo-dilatation dans les composites d’avions

News International-French

4 Feb 2016

La structure des avions modernes comme le Boeing 787 Dreamliner sont composés pour plus de moitié de composites en fibre de carbone. On leur ajoute des films de métal déployé pour augmenter la protection face aux impacts de foudre. Les chercheurs de Boeing utilisent la simulation pour tester l’efficacité et la tenue dans le temps de ces revêtements, notamment par rapport aux contraintes d’origine thermique qu’ils subissent dans les conditions habituelles de vol.

Le Boeing 787 Dreamliner est un avion innovant par le choix des matériaux de sa structure, composée à plus de 50% de fibre de carbone renforcé par du plastique (CFRP pour carbon fiber reinforced plastic), un matériau exceptionnel par sa légèreté et sa résistance mécanique. La figure 1 précise la répartition des matériaux composites dans l’appareil. Malgré leurs avantages, les composites CFRP présentent des faiblesses sur le niveau de protection et de tenue face à un impact de foudre. Pour résoudre ce problème, un film de métal déployé (EMF pour expanded metal foil) est ajouté dans la structure composite, de façon à dissiper rapidement chaleur et courant électrique lors d’un impact de foudre.



Figure 1. Les matériaux composites présents dans le Boeing 787 comptent pour plus de la moitié des matériaux utilisés1.

Les ingénieurs de Boeing Research and Technology (BR&T) effectuent des simulations multiphysiques et des mesures afin d’étudier l'effet des paramètres de conception EMF sur les contraintes thermiques et les déplacements dans chaque couche de la structure composite décrite à gauche dans la figure 2. Les contraintes s’accumulent dans le revêtement de protection de la structure composite à cause des cycles thermiques générés par les décollages et atterrissages. Avec le temps, le revêtement de protection peut se fissurer, laissant pénétrer l'humidité et des particules, conduisant à la corrosion de l’EMF, et réduisant ainsi sa conductivité électrique et sa capacité de protection.


Les chercheurs participant à l’étude au BR&T sont: Jeffrey Morgan, chef de projet du département Sealants and Electromagnetic Materials (produits d'étanchéité et matériaux électromagnétiques), Robert Greegor, ingénieur de simulation au département Applied Physics, le Dr Patrice Ackerman, du département Sealants and Electromagnetic Materials, et à la tête des essais, et Quynhgiao Le, ingénieur. Leurs recherches visent à améliorer la stabilité thermique globale de la structure composite et donc à réduire les risques et les coûts de maintenance liés à la dégradation du revêtement de protection.

Simulation de la Thermo-dilatation dans les Composites d’avions
Dans la structure de protection de la surface montrée à gauche dans la figure 2, on observe une succession de couches: peinture, apprêt, couche d'isolation de la corrosion, surfacer, EMF, et structure composite sous-jacente. Chaque couche contribue à l'accumulation des contraintes mécaniques dans les revêtements de protection, au fil du temps, car elles sont soumises au cyclage thermique. La géométrie est issue du modèle de coefficient de dilatation thermique (CTE), développé par Greegor2,3 et ses collègues à l'aide de COMSOL Multiphysics. L’objectif de ce modèle était d'évaluer la contrainte thermique et le déplacement dans chaque couche de la structure composite d'un échantillon carré d'un pouce.


Figure 2. A gauche la structure composite multicouche du modèle COMSOL, et à droite la géométrie du film de métal déployé. SWD et LWD correspondent respectivement au bord court et au bord long du carré. Le rapport d'aspect de la maille: SWD/LWD est l'un des paramètres dont on a observé l’influence pendant les simulations.

La structure de la couche EMF est précisée en figure 2. Dans cette étude, l’épaisseur de l’EMF, la largeur du fil de maille, le rapport d'aspect, la composition métallique, et la structure 3D par empilage des EMF ont été variés pour évaluer leur impact sur la performance thermique dans l'ensemble de la structure. La composition métallique de l’EMF était soit de l’aluminium soit du cuivre. A noter, l’EMF en aluminium nécessite de la fibre de verre additionnelle entre l’EMF et le composite pour limiter la corrosion galvanique.


Les propriétés des matériaux pour chaque couche, comprenant le coefficient de dilatation thermique, la capacité thermique, la densité, la conductivité thermique, le module d’Young et le coefficient de Poisson, ont été ajoutés au modèle COMSOL comme paramètres et leurs valeurs sont indiquées dans la figure 3. Le coefficient de dilatation thermique de la couche de peinture est défini par une fonction échelon qui représente le changement brusque de dilatation thermique à la température de transition vitreuse du matériau.