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RÉSUMÉ
Cet article propose un socle de connaissances des structures composites stratifiées. Les principaux matériaux d'usage sont présentés, ainsi que leurs déclinaisons commerciales et les principaux moyens de mise en œuvre. Les méthodes de prédimensionnement usuelles se basant sur la théorie des stratifiés classiques sont développées : calcul des contraintes dans les plis, critères de rupture associés, flambement, calcul d'assemblages. Les questionnements plus avancés comme l'impact, la fatigue, les endommagements ou le vieillissement sont également abordés.
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A knowledge base on laminated composite structures is offered by this article. The main materials used are presented, as well as their commercial variations and their major implementation means. The usual pre-design methods based on the theory of traditional laminates are developed: the calculation of stresses in the folds, associated criteria of rupture, buckling and joining. More advanced issues such as impact, fatigue, damage or aging are also dealt with.
Auteur(s)
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Christophe BOUVET : Professeur - ISAE-Supaéro, Institut Clément Ader, Toulouse, France
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Bruno CASTANIÉ : Professeur des Universités - INSA Toulouse, Institut Clément Ader, Toulouse, France
INTRODUCTION
Les structures composites sont de plus en plus utilisées dans le domaine aérospatial mais également dans les domaines ferroviaire, naval, automobile et de loisir. La nature de ces matériaux fait qu'ils possèdent une très grande adaptabilité à chaque domaine, il est ainsi possible de choisir pour chaque structure le meilleur compromis coût/poids/tenue mécanique. On a l'habitude de dire qu'en composite « le matériau ne préexiste pas à la structure » et chaque design nécessite donc d'associer la méthode de fabrication la plus adaptée aux contraintes économiques. Il existe une infinité de « composites » qui présentent toutefois tous la particularité de faire cohabiter plusieurs phases ne se mélangeant pas à l'intérieur du matériau. Ainsi, suivant les cas, les propriétés peuvent être pilotées par une phase plutôt que par une autre à l'échelle de la structure. Par exemple, dans le cas d'ensembles fibres plus matrice auxquels nous allons restreindre l'article, si l'on considère un ensemble de fibres unidirectionnelles, c'est-à-dire orientées toutes dans la même direction et assemblées par une résine, on est en présence d'un pli unidirectionnel. Ce matériau présente d'excellentes propriétés en traction dans le sens des fibres, mais dans cette même direction, la résistance en compression est plus faible car le scénario de rupture est piloté par la résine. De plus, 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).
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'apportent quasiment aucune résistance suivant l'axe y, un matériau comportant 50 % de fibres à 0° et 50 % de fibres à 90° possédera alors des caractéristiques spécifiques deux fois plus faibles que celles du matériau unidirectionnel. S'il existe en plus des efforts à +45° et −45° (cas des sollicitations de cisaillement), il faudra disposer des fibres dans ces directions, et cette fois les caractéristiques spécifiques seront presque divisées par quatre. Lorsque l'on dispose des fibres avec le même pourcentage dans les directions 0°, +45°, −45° et 90°, le matériau résultant a un comportement quasi isotrope dans le plan.
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°, +45°, −45° et 90°. 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.
Cet article a donc pour objectif de présenter un socle commun de connaissances des structures composites stratifiées, qui doit permettre de comprendre les particularités de leur comportement. Il présente aussi les méthodes de prédimensionnement les plus classiques des jonctions et en flambement.
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
manufacturing | laminates | sizing | transportation | leisure
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2004 par Jean-Jacques BARRAU, Didier GUEDRA DEGEORGES
- Version archivée 2 de oct. 2013 par Bruno CASTANIÉ, Christophe BOUVET, Didier GUEDRA-DEGEORGES
DOI (Digital Object Identifier)
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BARRAU (J.-J.), LAROZE (S.) - Calcul des structures en matériaux composites. - Eyrolles et Masson (1987).
-
(2) - GAY (D.) - Matériaux composites. - Hermes/lavoisier (2005).
-
(3) - BOUVET (C.) - Dimensionnement des structures composites : applications à l’aéronautique. - ISTE https://iste-editions.fr/products/dimensionnement-des-structures-composites (2018).
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(4) - BATHIAS (C.) - Matériaux composites. - Dunod, l’Usine Nouvelle (2013).
-
(5) - BERTHELOT (J.M.) - Matériaux composites : comportement mécanique et analyse des structures. - Éditions Technique et documentation (1999).
-
(6) - KASSAPOGLOU (C.) - Design and analysis of composite structures. - Wiley...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Bars, ASTM International. - ASTM D7205 - (2023)
-
Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials, ASTM International. - ASTM D3479 - (2023)
-
Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading, ASTM International. - ASTM D3410 - (2021)
-
Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ± 45° Laminate, ASTM International. - ASTM D3518 - (2018)
-
Standard Test Method for Compressive Properties of Unidirectional Polymer Matrix Composite Materials Using a Sandwich Beam, ASTM International. - ASTM D5467 - (2017)
-
Standard Test Method for Open-Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates, ASTM International. - ASTM D5766 - (2023)
ANNEXES
Composite Sciences and Technolology (Elsevier)
Composite Part A : Applied Science and Manufacturing (Elsevier)
Composite Part B : Engineering (Elsevier)
Composite Part C : Open Access (Elsevier)
Composite Structures (Elsevier)
Applied Composite Materials (Springer)
Journal of Composite Materials (Sage Publications)
HAUT DE PAGE
Salon : JEC Composites
Congrès : Journées Nationales sur les Composites, tous les 2 ans, AMAC
http://www.amac-composites.org
Journées Nationales sur les Composites, JNC, tous les 2 ans
https://jnc23.sciencesconf.org/
International Conference on Composite Structures, ICCS, tous les 2 ans
International Conference on Composite Materials, ICCM, tous les 2 ans
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