Essais & Simulations n°115

Dossier Matériaux
Essais et Modelisation
Tendances
Matériaux composites
et simulation numérique – Enjeux et perspectives
Le marché mondial des composites connait une croissance annuelle de +10% (source Toray Industries,
Inc.). Aéronautique et spatial, automobile, nautisme, biomédical, sports et loisirs... aucun secteur
n’y échappe, comme le montre ce compte-rendu de séminaire organisé par le Nafems.
« Les premières structures aéronautiques
‘composites’ datent des années
30, avec le De Haviland DH91 Albatross,
qui à l’époque utilisait des panneaux de
bois multi-couches aux propriétés anisotropiques.
Depuis, l’utilisation des matériaux
composites s’est généralisée :
elle est passée de 10% dans les années
80 à 30% sur l’A380, pour atteindre plus
de 50% aujourd’hui sur l’A350 XWB »,
rappelle Michel Mahé, chef de département,
Head of A350 Stress chez Airbus
et président de Séance.
Même constat dans le secteur naval
pour les voiliers multicoques dont les
performances n’ont cessé de s’accroitre
au cours des dix dernières années,
comme le souligne Laurent Gornet,
maître de conférences HDR, enseignant-chercheur
à l’Ecole Centrale de
Nantes : « Les performances des voiliers
se sont constamment accrues avec
un ratio poids/longueur des coques de
plus en plus faible, grâce notamment, à
l’utilisation de matériaux composites ».
L’exemple du trophée Jules Verne parle
de lui-même: le temps de traversée est
passé d’un peu plus de soixante-dixneuf
jours en 1993 à un peu plus quarante-huit
jours en 2010, soit plus de
40% de réduction en dix-sept ans !
Autre exemple, dans le secteur de l’Automobile
et des Transports où l’allégement
des véhicules reste une préoccupation
constante chez les constructeurs.
« Dans ce secteur, les procédés de fabrication
et de mise en forme doivent
être adaptés aux cadences et aux
contraintes des chaines de fabrication
et à la production de pièces en grande
série », souligne Benjamin Surowiec,
responsable simulation composite en innovation
chez Plastic Omnium.
Mais, la nature même de ces matériaux
hétérogènes, la variété des procédés de
fabrication et de mise en œuvre, la multiplicité
des applications possibles sont
autant de challenges pour le fabricant
de matière, pour l’ingénieur responsable
des études et des validations, et pour les
fournisseurs de solutions de simulation
numérique. La simulation numérique
joue un rôle clef à toutes les étapes du
processus, depuis la conception jusqu’à
la certification. Elle entre en jeu dans la
caractérisation des matériaux, la modélisation
et la validation des structures et la
simulation des procédés de fabrication,
trois aspects essentiels que nous illustrons
ci-dessous.
Bien caractériser les matériaux
pour mieux les simuler
Rappelons tout d’abord qu’ « un matériau
composite est constitué de l’assemblage
d'au moins deux matériaux
non miscibles et de nature différente,
se complétant et permettant d’aboutir à
un matériau dont l’ensemble des performances
est supérieur à celui des composants
pris séparément » (Berthelot
1996). Bien connaitre les propriétés et
les caractéristiques des matériaux composites
est un préalable indispensable
pour pouvoir faire les bons choix de
concepts et pour simuler avec confiance
le comportement des structures.
Jerôme Bikard, expert Modélisation numérique
des procédés et lois de comportement
chez Rhodia Engineering
Plastics, présente une étude ayant pour
but l’intégration du comportement élastique
endommageable orthotrope des
composites thermoplastiques TPC PA66
dans l’approche ‘MMI Confident DesignTM’,
approche mise en place chez
Rhodia pour répondre aux besoins de
ses clients de caractériser le comportement
attendu de ces matériaux. En effet,
« aujourd’hui nous ne vendons pas des
matériaux, nous vendons des fonctions
et il est important de pouvoir fournir à
nos clients des données de comportement
des matériaux qu’ils utiliseront
dans leurs produits », précise-t-il.
Laurent Guillaumie, ingénieur d’Etudes
et Recherches à l’Onera, expose les
travaux menés à l’Onera pour caractériser
le comportement dynamique
des plaques sandwichs à base de nida
et de peaux en stratifié, au travers de
trois grandeurs : nombre d’onde, densité
modale et impédance mécanique
des ondes de flexion. Il explique : « ces
travaux s’inscrivent dans une démarche
visant à développer et valider des outils
de modélisation et de prédiction du
comportement vibratoire des matériaux
composites, de plus en plus complexes
et légers, qui sont utilisés dans les structures
de fuselage d’avion ».
Simuler le comportement des
structures
Au cours de leur cycle de vie, les produits
réalisés avec des matériaux composites
peuvent être soumis à des mécanismes
complexes de déformation, d’endommagement,
de rupture.... Ces mécanismes
sont doublement complexes à analyser
car, d’une part les matériaux utilisés sont
en perpétuelle évolution et, d’autre part,
il est souvent nécessaire de mettre en
place une approche multi-échelle pour
mieux les appréhender.
Laurent Gornet, maître de conférences
HDR, Enseignant-Chercheur à l’Ecole
Centrale de Nantes, nous propose une
approche multi-échelle pour la modélisation
de l’endommagement et de la
rupture de panneaux sandwichs constitués
de peaux stratifiées carbone/époxy
et d'une âme Nomex® utilisés pour les
voiliers multicoques.
Jean-Paul Charles, ingénieur chez Eurocopter,
Professeur associé à Aix-Marseille
Université (LMA), expose les travaux
réalisés par une équipe associant
Christian Hochard (Aix-Marseille Université,
LMA), Ana-Cristina Galucio (EADS
Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 25