Emploi, CDD
Thèse Réparation de structures Composites
Mission
Réparation de structures primaires principales en matériaux composites de très grande dimension- Lieu :
- France - Toulouse
Institut Clément Ader Toulouse - Début :
- Septembre 2012
- Durée(s) :
- 3 ans
- Nom de l'organisme :
- Institut Clément Ader Toulouse
- Adresse :
- 133 C, avenue de Rangueil - B.P. 67701
31077 TOULOUSE CEDEX 4 - Téléphone :
- 06 80 68 08 88
- Courriel :
- Envoyer un message
- Site Internet :
- http://www.institut-clement-ader.eu
- Personne à contacter :
- Francis Collombet
Informations complémentaires
L'utilisation de structures primaires principales en matériaux composites de très grandes dimensions comme l'aile ou le fuselage d?un avion commercial pose la question de la réparation sur site des dommages majeurs.Nous limitons le cadre de ce travail de recherche aux réparations résultant d'un endommagement important et profond mais non débouchant (50 à 90 % de l'épaisseur) sur des stratifiés épais. L'approche de réparation envisagée implique l'enlèvement des matériaux endommagés, la création d'une interface de reprise, la reconstruction de la structure composite (en zone courante et en zones singulières) et sa jonction avec la structure saine.
Le sujet de thèse couvre les quatre aspects suivants : l'enlèvement de matière par usinage en commande numérique, la définition de la géométrie optimale de l'interface en regard du type de dommages, la définition de la séquence d'empilement optimale (pour satisfaire trois principaux critères : une réparation « à fleur » (flush) sur l'une des faces de la pièce, une capacité portante après réparation identique à celle offerte par la structure saine, un process aussi rapide et reproductible que possible) et la corrélation calculs/essais lors des phases de tests destinées à valider la méthodologie proposée. La thèse est une contribution à la réponse de plusieurs questions scientifiques clefs dont celle de savoir comment réaliser ces actions en prenant en compte l'ensemble des variabilités volontaires et subies inhérentes à la structure saine, au stratifié de réparation et aux procédés utilisés tout au long de la réparation (contrôle, usinage, séchage, cuisson ...).
Nous avons développé au sein du laboratoire (Institut Clément Ader) un concept appelé "boîte à outils Evaluateur Technologique Multi Instrumenté (ETMI)". Il s'agit de placer le matériau composite en "situation représentative de travail" (c'est à dire de façon simpliste : ce qu'il "verra" dans la structure finale). Cette "boite à outils" a pour objectif principal d'enrichir le dialogue essais/calculs. Il s'agit donc de développer des modèles numériques optimisés à l'échelle structurelle intégrant la description du comportement de singularités géométriques (reprise de plis, jonction peau/raidisseur, arrêt de raidisseur etc) et la prise en compte des variabilités associées à la mise en oeuvre du processus industriel de fabrication (épaisseur des plis etc) et/ou maintenance (patch de réparation, interface collée etc) associé à une structure. Cet outil est (par construction) transverse et complémentaire à la "pyramide des essais" classique de l'aéronautique et est particulièrement adapté au cas des structures composites qui contiennent de très nombreuses singularités et variabilités volontaires et subies.
Issue d'une collaboration permanente entre le laboratoire (Institut Clément Ader) et la TPE (CES), son développement a débuté en 2002. Cette boîte à outils est constituée de quatre volets d'importance équivalente : un volet « modèles numériques multi-échelles amont et aval», un volet « structure » constitué par l?évaluateur technologique lui-même, un volet « instrumentation multiple » et enfin un volet « essais basés sur l'utilisation d'un moyen modulaire de chargement multi axial ».
Au risque d'une redite, l'objectif est d'évaluer en situation représentative de conditions opérationnelles réelles, numériquement et par essais, la réponse sous sollicitations complexes d'un objet de dimensions réduites (ici dédié à l'évaluation d'une réparation) qui suivant les cas est de quelques dizaines de centimètres à environ un mètre de coté. Cet objet (voire l?ensemble de la boite à outils si nécessaire) est créé au cas par cas afin de regrouper généralement plusieurs singularités pouvant avoir à interagir entre elles au sein de la structure réelle. Cet objet peut de facto être aussi utilisé pour étudier un assemblage ou empilement particulier de matériaux (cas d'un patch de réparation ou de l'enfouissement de certains capteurs par exemple).
La réduction de volume de l'objet s'effectue sans affecter les grandeurs représentatives de la réalité du composite utilisé ou utilisable à terme dans la structure réelle comme par exemple le nombre de plis, leur grammage, les épaisseurs et les dimensions relatives des singularités... Par contre sa largeur et sa longueur hors tout sont optimisées afin de les rendre aussi petites que possible. Il s'agit d'en réduire essentiellement le coût de fabrication et pouvoir le fabriquer en nombre suffisant pour disposer d?une base statistique représentative des variabilités étudiées.
Pour cette étude, le moyen modulaire de chargement multi axial est constitué de 4 vérins dans un espace d?essais de dimensions relativement réduite. La cinématique du bâti d?essai 4 axes est adaptée à partir de modèles EF « simples » de façon à étudier par exemple le délaminage ou le décollement pouvant apparaître dans une interface due à la présence d'un patch de réparation.
Les modèles numériques interviennent également dans l?optimisation du placement des instrumentations associées quelles soient en surface ou à coeur. Les modèles numériques élaborés aux différentes échelles lors de la conception de l?évaluateur (ici dans le cas d'une réparation) sont réutilisés lors de la phase de dialogue essais-calcul. On montre qu?ils permettent de retranscrire au mieux les conditions aux limites de l?évaluateur technologique et ouvrent ainsi la voie à l'étude fine de la zone réparée et ainsi de travailler sur la qualité des modélisations.
Ce sujet est très stratégique d'un point de vue industriel car il est porteur d'enjeux importants dans le domaine de l?aéronautique civile compte tenu de l'arrivée d'aéronefs constitués de pièces composites de grande dimension (fuselage, aile). Elle fait l'objet de différentes collaborations internationales notamment avec l?Australie et du montage en cours d'un projet européen.