Optimisation structurale par éléments finis d’un gousset en matériaux composites et de sa caractérisation par tests mécaniques

Viceriat, Valérie (2021). Optimisation structurale par éléments finis d’un gousset en matériaux composites et de sa caractérisation par tests mécaniques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’allègement des pièces structurelles est un axe moteur d’innovation dans le secteur de l’aéronautique. Par ailleurs, beaucoup d'intérêt est actuellement porté sur les plis unidirectionnels de carbone très minces, conférant de meilleures caractéristiques mécaniques générales aux stratifiés. Couplés à l'optimisation composite, ils deviennent alors d'autant plus intéressants : ils permettent beaucoup plus de liberté vis à vis du design d’une pièce (transition plus progressive de plis), et permettent ainsi de réduire la masse de pièces en optimisant leur séquence d’empilement.

L'objectif de ce projet est de développer un procédé d'infusion optimal pour les plis unidirectionnels secs minces, de caractériser le matériau obtenu, d'optimiser une pièce couramment utilisée dans le renfort de structures (aéronautiques ou non) : « un gousset d'assemblage en composite », d’infuser cette pièce et enfin de tester et valider l’optimisation.

Le projet a été découpé en quatre étapes. Tout d'abord, le procédé d'infusion a été optimisé et développé pour pallier au manque de perméabilité des plis unidirectionnels secs minces. Ensuite, une fois l’infusion de plaques rendue possible, les propriétés du matériau ont été déterminées par tests mécaniques, par comparaison avec la littérature et par calculs. Ceci a permis d'alimenter un modèle par éléments finis, utilisé pour la troisième étape du projet : l'optimisation composite en trois phases à l'aide du logiciel d'Altair® du gousset, répondant à un chargement en traction et en compression. Enfin, la pièce optimisée a été fabriquée et testée selon les deux cas de chargements, afin d’observer la rupture de la pièce en matage et en flambage. Une simulation des tests a aussi été réalisée, afin de procéder à une évaluation de l’optimisation composite du gousset.

L’optimisation du gousset en plis unidirectionnels secs minces a permis une réduction de l'ordre de 30% par rapport à un gousset ayant la même épaisseur maximale, mais constante sur toute sa surface. Par ailleurs, les tests mécaniques ont démontré que le gousset optimisé a un comportement mécanique post flambage et en matage meilleur qu'un gousset en aluminium pour les deux tiers de la masse du gousset en aluminium.

Titre traduit

Structural optimization by finite elements of a composite gusset and its characterization by mechanical tests

Résumé traduit

Nowadays, mass reducing of structural parts is a key factor in aeronautical innovation. Moreover, there is a lot of interest regarding the unidirectional dry thin plies, as they provide better mechanical behavior for laminates in general.

Used in composite optimization, they get another kind of interest: indeed, as they are thinner, they enable more ply drop off and as a consequence more design freedom. Thus, the lay up optimization of parts made in such composite material leads to an interesting mass loss.

The objective of this project is to develop an optimal infusion process for UD dry thin plies, to characterize the material, optimize a current part in structural reinforcement: “a 2D corner gusset in composite”, and finally infuse this part, test and validate the optimization.

The project was divided in 4 steps. First of all, the infusion process was optimized and developed in order to overcome the lack of permeability in unidirectional dry thin plies. Then, once the infusion made possible, mechanical characterization of the material was determined, by mechanical tests, comparison to the literature and calculus. All the data obtained were required to define a finite element model. This model was used for the third step of the project: the composite optimization in three phases -with the Altair software- of the 2D corner gusset, answering a tension load case and a compressing one. Finally, the optimized part was infused and tested, according to the two load cases in order to observe the bearing and the buckling failures. A simulation of the tests was achieved to evaluate the composite optimization of the gusset.

The optimization of the gusset made of unidirectional dry thin plies resulted in a reduction of the order of 30% compared to a gusset with the same maximum thickness, but constant over it surface. Furthermore, mechanical tests have shown that the optimized gusset has better postbuckling and bearing mechanical behavior compared to an aluminum gusset for two thirds of the mass of the aluminum gusset.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté 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 113-115).
Mots-clés libres:	plis unidirectionnels secs minces, infusion, optimisation composite, flambage, gousset d'assemblage, modélisation, matériau composite
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Joncas, Simon
Codirecteur:	Codirecteur Gordon, Sébastien
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	21 déc. 2021 18:25
Dernière modification:	21 déc. 2021 18:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2823

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