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TD - Notions de conception de section de raidisseur en composite. Sébastien Crouzet – Airbus. AGENDA. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL LONGERON AVANT DESCRIPTION SOLLICITATIONS & MODELISATIONS Cas de crash Modélisation poutre Modélisation éléments finis Sollicitations de la section - PowerPoint PPT Presentation
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TD - Notions de conception de section de raidisseur en composite
Sébastien Crouzet – Airbus
AGENDA
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL2. LONGERON AVANT
DESCRIPTIONSOLLICITATIONS & MODELISATIONS• Cas de crash• Modélisation poutre• Modélisation éléments finis• Sollicitations de la sectionCARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION• Orientation des plis• Contraintes design• Calcul des admissibles• Généralités sur le drapage• Drapage de la section• Modification des caractéristiques de la section
3. AUTRES FORMES DE RAIDISSEURS4. REALISATION INDUSTRIELLE5. ANNEXES
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Gear Bay (s)
Pax. Floor
Centre Wing Box
Typical Fuselage
Pressure
Bulkhead
Belly Fairing: If necessary
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Centre Box/Fuselage
connection must be
optimized in this area
Centre Box/Floor
connection must be
optimized
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRALFLEXION DE L’AILE / CISAILLEMENT VERTICAL
Wing Bending Moment
Wing Shear Forces:
Aero Loads - Wing Weight
Aerodynamic loads
Wing DeflectionWing Deflection
Forces due to Wing Bending Moment
Engine Lateral Loads due to Wing deflection
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Front Fuselage
Weight Rear Fuselage
Weight
HTP Loads
Wing Aero Loads
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Fuselage compression
Belly fairing loaded
by Deflection Compatibility
Front Fuselage
WeightRear Fuselage
Weight
HTP Loads
Wing Aero Loads
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL
Rear fuselage
bending moment
BM(R)Front fuselage
bending moment
BM(F)
Wing Torsion
Compression due to BM(R) = C(R)Compression due to BM(F)= C(F)
Tension due to BM(R) =T(R)Tension due to BM(F) = T(F)
C(R) / C(F) Difference
T(R) / T(F) Difference
High Sheared Area
High Sheared Area
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRALCAISSON CENTRAL DE VOILURE
Keel Beam connected to centre Box Lower Panel:
Distance between Action/Reaction reduction
Note: MLG Side Stay
attached to Wing
Rear Spar
Belly FairingFree floor structure
support in “X” direction
Centre BoxFront pressure bulkhead
integrated to F/SRear pressure bulkhead
1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRALCAISSON CENTRAL DE VOILURE
Strutted Rib concepts selected for A320 is used
Upper Beams
Lower Beams
Front Spar Centre Spar
Rear Spar
2. LONGERON AVANTDESCRIPTION
Longeron AV : • Panneau• Raidisseurs (raid. Horizontaux & verticaux)• Reprises bielles
Raidisseur verticaux externesRaidisseur verticaux externes & internes
2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
• Cas de crash : cas dimensionnantRemarque: cas de crash uniquement si le caisson central est pétrolisé
Cas de crash: pression carburant
( ex: 40PSI 0.28MPa)
Raid i+1
500
Raid i
1500
Hypothèses: valeurs numériques données sur cette planche seront utilisés pour les calculs ultérieurs
Raid I-1
Maille raidisseur
2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
• Modélisation poutreModélisation : encastrement
Modélisation : effort ponctuel
Modélisation : encastrement
Modélisation : effort reparti
2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
• Modélisation poutre
Cas de crash: pression carburant
( ex: 45PSI 0.315MPa)
Exercice:
– Par rapport aux efforts, comment obtenir les moment de flexion et effort tranchant?
2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS
• Modélisation poutre
Cas de crash: pression carburant
( ex: 45PSI 0.315MPa)
C
B
A
De A à C :
De B à C :
FL C
B
A
P=p*L
De A à B :
x1
x2
2)(
)4(*8
)(
2)(
)4(*8
)(
2
22
1
11
FxT
xLF
xM
FxT
xLF
xM
)2(**2
)(
²)6²6(**12
)(
xLL
PxT
LLxxL
PxM
La somme des 2 cas donne : 2
PF
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
Cisaillement
Effort normal
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 varie de ~45000 à 90000MPa de ce fait, il faut résonner en terme de déformé acceptable
Talon
Ame
Semelle
*E
)3000~( dadmissible
2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
• Orientation des plisComposite 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)
- Calcul de l’épaisseur minimum de l’âme (contrainte de cisaillement)
Epaisseur minimum pour passer le cisaillement est : 3.85mm
mmz
z
SESESE
zSEzSEzSEz
SE
zSEz
CdG
CdG
âmeâmesemellesemelletalontalon
âmeâmeâmesemellesemellesemelletalontalontalonCdG
ii
iiiCdG
5.372.4*68*463005*8.63*819007*40*81900
39*2.4*68*463005.2*5*8.63*819005.76*7*40*81900
***
******
)*(
)**(
mme
e
G
Te
G
e
T
S
T
ame
ame
ame
ameame
85.3003.0*26400*68
20800
**68
*
*68
2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION
• Calcul de l’epsilon dans le talon et la semelle du montant
Epsilon sont OK
MPavI
MTalon 2765.42*
923900
10*6*
6
dEtalon
talontalon 3370
81900
276
)3000~( d
dEsemelle
semellesemelle 2970
81900
244
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
Semelle Ame Talon
45° 45° 45°45° 45° 45°0° 0° 0°
135° 135° 135°135° 135° 135°135° 135° 135°90° 90° 90°45° 45° 45°
0°0°0°0°0°0°Axe symétrie
Axe symétrie
Axe symétrie
?
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
IMPOSSIBLE
Plis communs
Plis communs
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:
80mm
8
8
6
50
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 : - Calculer les epsilon talon et semelle- Définir un drapage
²*Pr dSII opreAxeXAxe
3. REALISATION INDUSTRIELLE
2 principales technologies permettent d’obtenir ce type de raidisseur:- Pre-preg
Fibres pré - imprégnées avec RésineImportant volume de fibres 60% -65%Epaisseurs des plis 0.125mm, 0.19mm, 0.25mm and 0.35mm
- RTMOutillage 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
edge bars
vacuum bag
breather blanket
caul plate
Rubbermandrels
component
release film
Inflatablemandrels
Solidmandrels
TOOLING CONCEPT
Lay up ‘wet’ fibres over mould
Cover withrelease film etc
Cure in autoclave
3. REALISATION INDUSTRIELLE PRE-PREG
Process de pre-preg• Co-Cure
Composant 1 : « frais »
Composant 2 : « frais »
Cuisson ensemble (au final : 1 seule réelle pièce)
• Co-BondComposant 1 : « cuit »
Composant 2 : « frais »
Composants collés ensemble pendant le cycle de cuisson du composant 2
• Secondary BondingComposant 1 : « cuit »
Composant 2 : « cuit »
Composants collés ensemble par des opérations de collage séparées
1
2
1
2
1
2
Adhésif
Adhésif
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
Exemple de problèmes (rayon des raidisseurs / cornières)
Noyau a retirer si co-cuisson
5. ANNEXES PROPRIETES MECANIQUES DU COMPOSITE
Caractéristiques mécanique du pre-preg (fibre + resine:Module d’Young (sens long): 140000 MPaModule d’Young (sens travers): 5000 MPaCoef. de Poisson: 0.35Module 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
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