Structure sandwich
Structures en matériaux composites

L’ingénieur désire dans un grand nombre de situations concevoir des structures présentant un rapport performance/masse le plus élevé possible. Cela est particulièrement vrai dans l’industrie aéronautique et spatiale. Pour obtenir ces performances, il recherche des matériaux ayant des caractéristiques spécifiques élevées. Les matériaux répondant à ce critère (verre, carbone, Kevlar, bore) présentent un défaut majeur : ils sont fragiles. Un petit défaut suffit pour amorcer la rupture totale de la structure. Pour pouvoir réaliser des structures suffisamment tolérantes aux dommages, il est nécessaire d’utiliser ces matériaux sous forme de fibres liées par une résine.

Considérons un ensemble de fibres unidirectionnelles, c’est-à-dire orientées toutes dans la même direction, assemblées par une résine. On est en présence d’un pli unidirectionnel. Ce matériau présente d’excellentes propriétés dans le sens des fibres, quoique moins bonnes que celles des fibres isolées, ce qui est normal puisque la résine apporte de la masse sans apporter d’amélioration des caractéristiques mécaniques supplémentaires. Ce matériau est :

• globalement homogène du point de vue macroscopique (pour un volume élémentaire, les caractéristiques macroscopiques sont les mêmes) ;

• anisotrope (les caractéristiques dépendent de la direction considérée).

À partir des résultats indiqués sur la figure 1 1 il semble qu’en utilisant ces nouveaux matériaux on pourra réaliser des gains de masse spectaculaires. Il ne faut pas oublier que ces matériaux ne résistent correctement que dans une seule direction : celle des fibres. S’il existe des sollicitations équivalentes dans les directions x et y, il faudra disposer des fibres dans ces deux directions. Sachant que les fibres orientées suivant l’axe x n’amènent aucune résistance suivant l’axe y, un matériau comportant 50 % de fibres à 0 ^o et 50 % de fibres à 90 ^o aura alors des caractéristiques spécifiques deux fois plus faibles que celles du matériau unidirectionnel (figure 1). S’il existe en plus des efforts à 45 ^o et – 45 ^o, il faudra disposer des fibres dans ces directions et cette fois les caractéristiques spécifiques seront presque divisées par quatre. Lorsque l’on a disposé des fibres avec le même pourcentage dans les directions 0 ^o, 45 ^o, – 45 ^o et 90 ^o, le matériau résultant a un comportement quasi isotrope dans le plan mais ses caractéristiques spécifiques ne sont guère plus importantes que celles que l’on peut obtenir avec des matériaux traditionnels.

En fait, dans la réalité les structures sont en général soumises à des efforts très différents suivant les directions et il ne sera donc pas nécessaire de disposer autant de fibres dans les quatre directions 0 ^o, 45 ^o, – 45 ^o, 90 ^o. Le travail de l’ingénieur consistera à choisir le drapage optimisé permettant de résister aux sollicitations extérieures. C’est cette optimisation du drapage qui permettra d’obtenir des structures présentant un rapport performance/masse élevé.