Transcript conception_panneau_composite

TD - Notions de conception de
section de raidisseur en composite
Sébastien Crouzet – Airbus
AGENDA
1.
2.
DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
LONGERON AVANT
DESCRIPTION
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
•
•
•
•
Cas de crash
Modélisation poutre
Modélisation éléments finis
Sollicitations de la section
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
•
•
•
•
•
3.
4.
5.
Orientation des plis
Contraintes design
Calcul des admissibles
Généralités sur le drapage
Drapage de la section
Modification des caractéristiques de la section
AUTRES FORMES DE RAIDISSEURS
REALISATION INDUSTRIELLE
ANNEXES
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Typical Fuselage
Pax. Floor
Gear Bay (s)
Pressure
Bulkhead
Centre Wing Box
Belly Fairing: If necessary
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Centre Box/Floor
connection must be
optimized
Centre Box/Fuselage
connection must be
optimized in this area
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
FLEXION DE L’AILE / CISAILLEMENT VERTICAL
Aerodynamic loads
Wing Shear Forces:
Wing Deflection
Wing Deflection
Aero Loads - Wing Weight
Wing Bending Moment
Forces due to Wing Bending Moment
Engine Lateral Loads due to Wing deflection
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Wing Aero Loads
HTP Loads
Front Fuselage
Weight
Rear Fuselage
Weight
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Wing Aero Loads
HTP Loads
Fuselage compression
Front Fuselage
Weight
Belly fairing loaded
by Deflection Compatibility
Rear Fuselage
Weight
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
T(R) / T(F) Difference
Tension due to BM(F) = T(F)
Tension due to BM(R) =T(R)
High Sheared Area
Rear fuselage
bending moment
Front fuselage
bending moment
BM(R)
BM(F)
Wing Torsion
Compression due to BM(F)= C(F)
C(R) / C(F) Difference
Compression due to BM(R) = C(R)
High Sheared Area
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
CAISSON CENTRAL DE VOILURE
Note: MLG Side Stay
attached to Wing
Rear Spar
Free floor structure
support in “X” direction
Belly Fairing
Centre Box
Rear pressure bulkhead
Keel Beam connected to centre Box Lower Panel:
Distance between Action/Reaction reduction
Front pressure bulkhead
integrated to F/S
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
CAISSON CENTRAL DE VOILURE
Front Spar
Centre Spar
Upper Beams
Rear Spar
Lower Beams
Strutted Rib concepts selected for A320 is used
2. LONGERON AVANT
DESCRIPTION
Longeron AV :
• Panneau
• Raidisseurs (raid.
Horizontaux & verticaux)
• Reprises bielles
Raidisseur verticaux externes
Raidisseur verticaux
externes & internes
2. LONGERON AVANT
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
•
Cas de crash : cas dimensionnant
Remarque: cas de crash uniquement si le caisson central est pétrolisé
500
1500
Cas de crash:
pression carburant (
ex: 40PSI 
0.28MPa)
Maille raidisseur
Hypothèses: valeurs numériques
données sur cette planche seront
utilisés pour les calculs ultérieurs
Raid I-1
Raid i
Raid i+1
2. LONGERON AVANT
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
•
Modélisation poutre
Modélisation :
encastrement
Modélisation :
effort ponctuel
Modélisation :
encastrement
Modélisation :
effort reparti
2. LONGERON AVANT
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
•
Modélisation poutre
Exercice:
– Par rapport aux efforts, comment obtenir
les moment de flexion et effort tranchant?
Cas de crash:
pression carburant
( ex: 45PSI 
0.315MPa)
2. LONGERON AVANT
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
•
Modélisation poutre
B
B
x2
Cas de crash:
pression carburant
( ex: 45PSI 
0.315MPa)
L
C
P=p*L
F
C
x1
A
A
De A à C :
De A à B :
P
* (6 x ²  6 Lx  L ²)
12 * L
P
T ( x)  
* ( L  2 x)
2* L
M ( x) 
P
La somme des 2 cas donne : F  2
De B à C :
F
* ( L  4 x1 )
8
F
T ( x1 )  
2
F
M ( x2 )  * ( L  4 x2 )
8
F
T ( x2 ) 
2
M ( x1 ) 
2. LONGERON AVANT
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
Exercices:
– Commenter / critiquer la modélisation poutre.(par rapport à la réalité)
– Définir le torseur d’effort max + tracer approx. les courbes T et Mf
2. LONGERON AVANT
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
• Modélisation éléments finis
- Modèle global (GFEM : Global Finite Element)
- Modèles raffinés
 Torseur issus du GFEM (à utiliser pour les calculs ultérieurs)
– N=0
– T= 20800 N
– Mf = 6*106 N.mm
2. LONGERON AVANT
SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
• Sollicitation de la section
Talon
Effort
normal
Ame
Semelle
Cisaillement
Hypothèses:
Compression / traction seront
principalement repris par la
semelle et le talon : plis
« orientés » à 0°
Cisaillement sera principalement repris
par l’âme  plis « orientés » à
45°/135° (ou 45°/-45°)
Effort normal sera principalement repris
par le talon et la semelle : : plis
« orientés » à 0°
Contrairement au métallique, il n’est pas possible de penser en terme
d’admissibles :   E * 
E varie de ~45000 à 90000MPa  de ce fait, il faut résonner en terme de
déformé acceptable ( admissible ~ 3000d )
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
Orientation des plis
Composite permet d’optimiser chaque partie d’une section. Semelle / Talon 
traction / compression  fibre à 0°
Âme  cisaillement  fibre à +/- 45°
Éviter de mettre du quasi-iso (similaire a du métal) dans un tel context
Compression / Traction sera reprise par les semelles : drapage « très » orienté à 0°
(ex: 50/20/20/10 : 50% de fibres à 0°, 20% de à -45°, 20% à +45°, 10% à 90°,
Cisaillement sera repris par âme : drapage orienté à 45 (ex :20/35/35/10)
Exercice:
Pour les 2 drapages suivants : 50/20/20/10 et 20/35/35/10 :
– Expliciter ce que signifie ce drapage pour la section en page suivante
– Définir les modules (E et G) dans la semelle, le talon et l’âme
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
Contraintes design
-
Environnement : présence d’élément Système limitant la hauteur de la section à
80mm
Fixation : diam 7.9
Forme de la section :
80mm
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
Calcul des admissibles
-
Calcul du CdG raidisseur (modules différents)
z CdG 
 (E * S * z )
 (E * S )
i
i
i
z CdG
i
i
E
*S
*z
 E semelle * S semelle * z semelle  E âme * S âme * z âme
 talon talon talon
Etalon * S talon  E semelle * S semelle  E âme * S âme
81900* 40 * 7 * 76.5  81900* 63.8 * 5 * 2.5  46300* 68 * 4.2 * 39
81900* 40 * 7  81900* 63.8 * 5  46300* 68 * 4.2
 37.5m m
z CdG 
z CdG
-
Calcul de l’épaisseur minimum de l’âme (contrainte de cisaillement)

T
T

S ame 68* eame
  G *
T
68* G * 
20800

68* 26400* 0.003
 3.85m m
eame 
eame
eame
 Epaisseur minimum pour passer le cisaillement est : 3.85mm
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
Calcul de l’epsilon dans le talon et la semelle du montant
 Talon 
 talon 
M
6 *106
*v 
* 42.5  276MPa
I
923900
 talon
 semelle 
Etalon

 semelle
Esemelle
276
 3370d
81900

244
 2970d
81900
 Epsilon sont OK ( ~ 3000d )
Remarque: ce pré-dim de section n’est pas complet. Il donne une première idée
de section. Il est nécessaire de faire des calculs plus détaillés (stabilité d’âme
déversement talon, flambage local du talon)
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
Généralités sur le drapage
Quelques règles de drapage
Repartir au mieux l’ensemble des plis sur l’épaisseur de la section
Plis externes (contact avec l’extérieur) : plis à +45° ou –45)
Passage d’un plis à un autre en changeant l’orientation de 45° (exception:
possibilité de mettre pres de l’axe de symétrie un coupe -45° / 135°)
Symétrie sur le drapage
…
Epaisseur 1 plis : l’epaisseur varie suivant le grammage. Pour les calculs ultérieurs,
prendre 0.25mm
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
Drapage de la section (lié à la techno pre-preg)
Rappel: 1 pli  0.25mm
Talon : 7mm (28 plis) à 50/20/20/10  14 plis à 0 / 5 plis à 45 / 5 plis à 135 / 4 plis à 90
Semelle : 5mm (20 plis) à 50/20/20/10  10 / 4 / 4 / 2
Ame : 4mm (16 plis) à 20/35/35/10  2 / 6 / 6 / 2
Plis
communs
Semelle
Ame
Talon
45°
45°
0°
135°
135°
135°
90°
45°
45°
45°
0°
135°
135°
135°
90°
45°
45°
45°
0°
135°
135°
135°
90°
45°
0°
0°
0°
0°
0°
0°
Axe symétrie
?
Axe symétrie
Axe symétrie
Plis
communs
IMPOSSIBLE
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
•
Modifications des caractéristiques de la section
-
Changement de drapage:
-
Âme : 25/30/30/15 (Eâme = 54000 MPa)
Talon / semelle : 35/25/25/15 (E=65000MPa)
Changement de dimensions de section:
50
8
80mm
6
8
2. LONGERON AVANT
CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
Exercice :
Avec les nouveaux % de plis et les nouvelles dimension de la section:
Définir les modules des différentes parties de la section
Calculer l’épaisseur mini de l’âme (cisaillement)
Définir le CdG de la section
Calculer l’inertie - rappel : I Axe X  I AxePr opre  S * d ²
Calculer les epsilon talon et semelle
Définir un drapage
3. REALISATION INDUSTRIELLE
2 principales technologies permettent d’obtenir ce type de raidisseur:
-
Pre-preg
Fibres pré - imprégnées avec Résine
Important volume de fibres 60% -65%
Epaisseurs des plis 0.125mm, 0.19mm, 0.25mm and 0.35mm
-
RTM
Outillage intégrale (dimensions pièces  couts NRC potentiellement
important)
Pas besoin d’autoclave mais four nécessaire pour post cuisson
 revoir le drapage – règle différentes de celles vues précédemment
3. REALISATION INDUSTRIELLE
PRE-PREG
Lay up ‘wet’
fibres over
mould
Cover with
release film
etc
vacuum bag
breather blanket
release film
caul plate
edge bars
component
Inflatable
mandrels
Rubber
mandrels
TOOLING CONCEPT
Cure in
autoclave
Solid
mandrels
3. REALISATION INDUSTRIELLE
PRE-PREG
1
Process de pre-preg
•
2
Co-Cure
Composant 1 : « frais »
Composant 2 : « frais »
 Cuisson ensemble (au final : 1 seule réelle pièce)
•
1
Co-Bond
Adhésif
Composant 1 : « cuit »
Composant 2 : « frais »
 Composants collés ensemble pendant le cycle de
cuisson du composant 2
•
2
1
Secondary Bonding
Composant 1 : « cuit »
Composant 2 : « cuit »
 Composants collés ensemble par des opérations
de collage séparées
Adhésif
2
3. REALISATION INDUSTRIELLE
RTM
4. AUTRES FORMES DE RAIDISSEURS
Autres formes / types de raidisseur
-
Forme en Omega, en C, en Z
Assemblage au panneau : collé / polymérisé / boulonné
Noyau a retirer si cocuisson
Exemple de problèmes (rayon des raidisseurs / cornières)
5. ANNEXES
PROPRIETES MECANIQUES DU COMPOSITE
Caractéristiques mécanique du pre-preg (fibre + resine:
Module d’Young (sens long): 140000 MPa
Module d’Young (sens travers): 5000 MPa
Coef. de Poisson: 0.35
Module de cisaillement: 5000 MPa
Contraintes admissible à rupture:
- Traction (sens long): 1200 MPa
- Compression (sens long): 1000 MPa
- Traction (sens travers): 50 MPa
- Compression (sens travers): 120 MPa
- Cisaillement: 65MPa
5. ANNEXES
PROPRIETES MECANIQUES DU COMPOSITE
Module d’Young E
Module de cisaillement G