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Amélioration de la résistance d’impact d’un bord d’attaque d’un avion en alliage d’aluminium par des matériaux composites

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Khanfir, Ahmed (2020). Amélioration de la résistance d’impact d’un bord d’attaque d’un avion en alliage d’aluminium par des matériaux composites. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La résistance à l’impact est aux premiers rangs des défis en aéronautique. L’apparition des matériaux composites offre de nouvelles pistes de réflexion pour bonifier la résistance des structures à l’impact.

L’objectif principal de cette recherche est d’étudier le comportement mécanique du bord d’attaque d’une aile d’avion en alliage d’aluminium 2024T351 en vue de l’améliorer. Plus précisément, il s’agit de s’appuyer sur les variations de l’énergie interne, de l’énergie cinétique et de vitesse du projectile suite à l’impact pour proposer une solution de revêtement plus résistante.

Pour ce faire, deux études de cas sont réalisées. La première propose de comparer la performance à l’impact de l’aluminium avec des matériaux composites unidirectionnels, précisément le carbone-époxy, le verre époxy et le kevlar-époxy. Dans cette étude, le matériau de référence du bord d’attaque, soit l’aluminium, est remplacé successivement par ces trois matériaux. Une analyse détaillée de la performance à l’impact balistique est réalisée sur chacun des trois, et ce à 4 différentes séquences d’empilages. Il s’avère que le carbone-époxy dispose d’une capacité d’absorption d’énergie interne relativement supérieure aux autres matériaux. Ce dernier témoigne également d’une meilleure performance du point de vue de l’énergie interne du bord d’attaque et la vitesse perdue par le projectile. Toutefois, la performance de cette solution demeure inférieure à l’alliage en aluminium.

Finalement, à la lumière de ces résultats, une deuxième étude de cas est proposée. Celle-ci consiste à changer la géométrie du bord d'attaque en matériau composite tout en conservant le même poids que l'aluminium. Malgré cette modification, l’aluminium 2024T351 demeure plus performant à l’impact que les trois matériaux composites étudiés.

Le logiciel ABAQUS est utilisé pour des fins de simulation et de calculs. La modélisation du comportement des matériaux composites unidirectionnels est réalisée grâce à un sousprogramme de matériau défini par l'utilisateur (VUMAT). Le critère Hashin est adopté pour la défaillance des fibres. Pour ce qui a trait aux modes de défaillance de la matrice, ceux-ci respectent le critère de Puck.

Titre traduit

Improvement of the impact resistance of an aluminium alloy leading edge of an aircraft by composite materials

Résumé traduit

Impact resistance is at the forefront of the challenges in aeronautics. The appearance of composite materials offers new avenues for reflection to improve the resistance of structures to impact.

The main objective of this research is to study the mechanical behaviour of the leading edge of a 2024T351 aluminium alloy aircraft wing with a view to improving it. More specifically, the aim is to use criteria such as variations in the internal energy, kinetic energy and velocity of the projectile following impact to propose a more resistant coating solution.

To do this, three case studies are carried out. The first proposes to compare the impact performance of aluminium with unidirectional composite materials, namely carbon-epoxy, glass-epoxy and kevlar-epoxy. In this study, the leading edge reference material, aluminum, is replaced successively by these three materials. A detailed analysis of the ballistic impact performance is conducted on each of the three at four different stacking sequences. It turns out that carbon-epoxy has a relatively higher internal energy absorption capacity than the other materials. It also shows a better performance in terms of the internal energy of the leading edge and the velocity lost by the projectile. However, the performance of this solution remains inferior to that of the aluminium alloy.

In light of these results, a second case study is proposed. It consists of changing the geometry of the composite leading edge while maintaining the same weight as aluminum. Despite this modification, the 2024T351 aluminum remains better performing at impact than the three composite materials studied.

The ABAQUS software is used for simulation and calculation purposes. The behaviour of unidirectional composite materials is modelled using a user-defined material subprogram (VUMAT). The Hashin criterion is adopted for fiber failure. The matrix failure modes meet the Puck criterion.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 97-102).
Mots-clés libres: matériaux composites, impact balistique, projectile, analyses par éléments finis, rupture matériau
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ngô, Anh Dung
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 25 janv. 2021 19:31
Dernière modification: 25 janv. 2021 19:31
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2610

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