Mec. Ind. (2000) 1, 241–249 2000 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservésS1296-2139(00)00110-X/FLA

Analyse d’inserts pour les structures sandwich composites

F. Noirot a, J.-F. Ferrero a*, J.-J. Barrau b, B. Castanie a, M. Sudre b

a Ensae, 10 avenue E. Belin, 31055 Toulouse, Franceb LGMT-UPS 118 rue de Narbonne, 31400 Toulouse, France

(Reçu le 22 février 2000 ; accepté le 20 avril 2000)

Résumé —Lors de la conception de structures sandwich, un problème important est l’introduction d’efforts. Elle est généralementréalisée par différents type d’inserts (résine, métalliques. . .). Dans cette étude, cinq types d’inserts pour panneaux sandwich sontétudiés. Une étude expérimentale est réalisée pour caractériser la rupture des inserts à l’arrachement. Une modélisation élémentsfinis 3D du problème est proposée. 2000 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

composite / sandwich / insert / expérimental / éléments finis / force à rupture

Abstract —Analysis of insert in sandwich composite structures. While designing sandwich structures, a major issue is how tointroduce loads. This is usually done by several kinds of inserts (resin, metallic, etc.). Five kinds of inserts for sandwich structurepanels are dealt with in this study. An experimental study is performed in order to describe the breaking points of inserts while beingpulled out. A 3D finite elements model of the study is enlarged. 2000 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

composite / sandwich / insert / experimental / finite element / breaking point

1. INTRODUCTION

Les structures sandwich présentent un intérêt certainen terme de rigidité et de résistance spécifique pour laconception des structures aéronautiques. Toutefois, leurmise en œuvre pratique est subordonnée à la maîtrise desproblèmes de jonctions [1]. Un des problèmes les plusdélicats à résoudre est l’introduction d’efforts localisésvia des inserts. À ce jour, cela est le plus souvent réa-lisé par apport de matériaux de densification de type ré-sine mais cette solution conduit à des problèmes de fissu-rations dans le matériau d’âme pour des efforts de pré-serrage élevés. Le pré-dimensionnement des structuressandwich avec inserts fait appel à des théories issues leplus souvent de modèles simplifiés et à l’utilisation deslois de la RDM [2]. Les valeurs fournies par ces modèlesne sont le plus souvent que des estimations et doivent im-pérativement être complétées par des études numériquesde type ÉF 3D ou confirmées par des essais [3]. Mal-gré l’importance pratique du sujet, peu d’études ont été

* Correspondance et tirés à part :jean-francois.ferrero@supaero.fr

publiées [4, 5] exceptés les traditionnels manuels de pré-dimensionnement [6, 7]. Il est vrai que chaque type d’in-sert est un cas particulier et que les niveaux de contraintesdiffèrent énormément de l’un à l’autre [3].

Dans le but d’analyser le comportement des insertsdans les structures sandwich et d’améliorer la tenuedes liaisons, différents types de solutions aujourd’huiutilisées ainsi que de nouveaux concepts ont été testés.Une étude expérimentale et théorique ont été réalisées.

2. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE, PARTIE I

Les panneaux sandwich composites sont réalisés parcollage de deux peaux en verre (tissus équilibrés0,16 mm) époxy (Epolam 2020) sur une âme en mousse(Styrodur 3035 S) d’épaisseur 60 mm. La peau extérieureest constituée de 16 couches de tissus équilibrés ayantle drapage[04,904,+454,−454]s, la peau intérieure dedix couches[03,903,+452,−452]s. Cette stratificationse rapproche de celle utilisée dans certaines structuresaéronautiques. Pour pouvoir évaluer leur comportement,cinq inserts appartenant à trois familles différentes ont étéétudiés (figure 1).

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Figure 1. Représentation schématique des inserts étudiés.

Les inserts en résine, couramment utilisés dans lemonde industriel aéronautique :

• L’insert A : la mousse est perforée sur un diamètre de25 mm, puis remplie de résine époxy et micro ballons.Les peaux sont ensuite collées sur la mousse ;

• L’insert B : est proche de l’insert A. Une plaquecirculaire∅ 25 mm en aluminium est ajoutée côté peau

extérieure sous la tête de vis comme indiqué sur lafigure 1.

• L’insert métallique, développé dans le cadre de cetteétude et permettant un pré-serrage important : cet insert,noté C, est réalisé à partir de deux pièces en aluminium,une base de forme circulaire (∅ 25 mm) collée à la peauintérieure et un tube se vissant à l’intérieur permettant

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Figure 2. Système expérimental.

ainsi un réglage indispensable en hauteur. L’ensembleest solidarisé à l’âme par injection de résine. Sa mise enposition est définie lors de la fabrication du panneau. Lesinserts métalliques proposés sur le marché et pouvant êtremis en place après fabrication du sandwich.

• L’insert D est fabriqué à partir d’un insert aluminium,débouchant sur une face (∅ 25 mm), réglable en hauteuret solidarisé à l’âme par injection de résine.

• L’insert E est obtenu par apport d’un insert aluminium,débouchant sur les deux faces du panneau sandwich, ré-glable en hauteur et solidarisé à l’âme par injection derésine. Cet insert ne répond pas aux exigences aérodyna-miques imposées sur des structures avions.

Les inserts sont sollicités par l’intermédiaire d’unemachine de traction Instron munie d’un système expé-rimental (figure 2) développé au laboratoire. Une piècemétallique (M) représentant une ferrure est fixée à l’in-sert par un système vis écrou (M6 qualité 10,9). La fer-rure fixée au panneau sandwich est mis en position avecune précontrainte dans la vis de 12,5 kN. La ferrure estalors soumise à un effort de traction. La vitesse d’appli-cation de la force est constante et l’essai est mené jus-

qu’à rupture de l’insert. Pour chaque essai, le déplace-ment de la tête de la vis, la force appliquée par la machinede traction et le déplacement de la peau extérieure sontmesurés. L’acquisition des données se fait via une carteRTI 815 Analog Device à l’aide du logiciel d’acquisitionLabview.

3. ANALYSE DES RÉSULTATS

Les résultats obtenus sont répertoriés dans le tableaude lafigure 3.

Pour l’insert A, on observe une pénétration de la têtede vis dans la peau extérieure pour un effort de 9 kN.La flèche est de 4,74 mm. La tête de vis traverse la peauextérieure en entraînant un arrachement de la résine et laruine de l’insert (figure 3, photo A).

L’ajout de la rondelle en aluminium (insert B) a étéeffectué pour limiter la pénétration de la tête de vis. Lesrésultats obtenus montrent que la résistance est amélioréeet le mode de rupture modifié. On observe, pour un effortde 10 kN et une flèche de 4,46 mm (figure 3, photo B)

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Figure 3. Caractérisation expérimentale des ruptures.

une rupture des fibres de la peau intérieure sur un cercledont le diamètre correspond au diamètre de la rondelle enaluminium. La rupture peut s’expliquer par cisaillementde la peau intérieure. À la fin de l’essai, on observedes délaminages de la peau extérieure sur un diamètred’environ 15 mm au niveau de la tête de vis.

Pour l’insert C, la rupture de la structure apparaît pourun effort d’environ 12 kN pour une flèche maximalede 5,4 mm (figure 3, photo C). On observe alors undéchirement de la peau intérieure au niveau du diamètreextérieur de la base de l’insert. Comme pour l’insert B,le mode de rupture correspond à un cisaillement de la

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peau intérieure. De plus, lorsque l’insert est déposé dumontage expérimental, on peut observer ici aussi desdélaminages au niveau de la tête de vis de la peauextérieure sur un diamètre d’environ 15 mm et sur toutela zone de la peau intérieure se trouvant en contact avecla base de l’insert. Il faut aussi noter que lors de lacampagne d’essais, on a pu observer une rupture desfibres en traction au niveau de la peau intérieure (figure 3,photo D).

Pour l’insert D, une première rupture apparaît par ci-saillement du joint de colle entre l’insert et la peau exté-rieure. En effet, lorsque la flèche du panneau augmente,le joint de colle liant la partie supérieure de l’insert et lapeau extérieure du sandwich est fortement sollicité en ci-saillement et rompt pour un effort d’environ 5 kN et pourun déplacement de 2,05 mm.

Pour l’insert E, on observe un décollement entre lapeau intérieure du sandwich et la partie extérieure del’insert. Le joint de colle entre ces deux parties cassepour un effort de 4,8 kN et un déplacement plus importantde 3,89 mm. Contrairement aux autres inserts étudiés, lapeau extérieure du panneau sandwich est principalementsollicitée, ce qui semble entraîner une augmentationimportante de la flèche.

L’analyse de ces résultats permet de classifier lesinserts étudiés par rapport, d’une part à leur tenue àl’arrachement et d’autre part à la facilité de mise enœuvre.

Il est important de noter, à ce stade de l’étude que lesvaleurs obtenues sont parfaitement reproductibles pourchaque famille d’insert et pour tous les types d’essaiseffectués.

L’insert proposé C est le plus résistant, environ 20 %de plus que les inserts A et B mais il est beaucoupplus compliqué à mettre en œuvre. Il est nécessaire defaire un gabarit pour pouvoir le positionner précisément.L’amélioration apportée sur l’insert B par l’ajout d’unerondelle n’augmente pas de façon significative la tenueà l’arrachement de l’insert mais modifie le mode derupture qui se fait désormais par cisaillement de la peauintérieure.

Quant aux inserts D et E, leur tenue est trop faible pourla fixation de ferrure, ils peuvent être utilisés uniquementpour des applications où de faibles charges sont en jeu carleurs mises en œuvre est beaucoup plus simple et peut sefaire après fabrication du panneau.

4. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE, PARTIE II

Après ces premiers résultats, d’autres études expéri-mentales ont été réalisées pour analyser l’influence de lagéométrie de l’insert C et pour étudier l’influence de laprécontrainte sur le comportement général des inserts A,B et C.

Pour cela, trois inserts de type C ont été réalisés avecdes diamètres de collerette différents. Trois diamètres de,respectivement 14 mm, 17 mm et 25 mm sont testés.Chaque essai est mené jusqu’à rupture. Les forces maxi-males supportées sont de 7 kN pour l’insert de∅ 14 mm,de 8,5 kN pour l’insert de∅ 17 mm et de 12.1 kN pourl’insert de∅ 25 mm. Une augmentation de la tenue àl’arrachement est observée en fonction du diamètre de lacollerette. La force de rupture est proportionnelle au dia-mètre de la collerette ce qui confirme le mode de ruptureen cisaillement de la peau intérieure et donne une mé-thode simple de dimensionnement en statique de ce typed’insert.

Pour analyser l’influence de la précontrainte, les troistypes d’insert A, B et C sont sollicités sans que la ferrurene soit soumise à un pré-serrage.

Pour l’insert A, la rupture a lieu pour un effort de8,6 kN ce qui correspond au niveau d’effort avec pré-serrage mais dans ce cas, on observe une rupture dela peau intérieure en traction. Cela peut s’interpréterpar le fait que, lors du premier essai, l’effort de pré-serrage exercé par la vis empêche le décollement entrela chape de mise en charge et la peau intérieure (lepanneau sandwich étant maintenu des deux cotés). Sanspré-serrage, la peau intérieure est soumise à une flexionqui crée une rupture avant que la tête de la vis ne puissetraverser le revêtement extérieur.

Pour l’insert B, l’effort à rupture est de 9,1 kNpour 10 kN avec pré-serrage. La rupture a toujours lieupar cisaillement de la peau supérieure. Il semble quel’adjonction d’une rondelle permette de redistribuer plusefficacement les contraintes entre la tête de la vis etl’insert résine. Ici le pré-serrage semble n’avoir que peud’influence sur le mode de rupture.

Pour l’insert C, l’effort à rupture est diminué de 25 %par rapport à l’essai avec pré-serrage : 9,3 kN au lieude 12 kN. La rupture se fait uniquement par cisaillementde la peau intérieure, alors que l’on observe une rupturecombinée entre traction des fibres et cisaillement trans-verse lors de l’essai avec pré-serrage.

Ces essais tendent à montrer que le pré-serrage influede façon bénéfique d’une part sur le mode de rupture desinserts A et C et d’autre part sur la valeur de la force à

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Figure 4. Caractéristiques modèle ÉF.

rupture pour l’insert métallique C. Lorsque le pré-serrageest nécessaire pour la conception, les inserts de types Csont les plus adaptés.

5. MODÉLISATION

Pour analyser le champ des contraintes au niveau desinserts et ainsi mieux comprendre les différents types derupture, une modélisation ÉF 3D des inserts A et C ainsique du système de chargement a été réalisée.

Pour simplifier la modélisation géométrique, les mo-dèles sont supposés circulaires. En raison de la symétriedes drapages des peaux du sandwich, la modélisation sefait sur 1/8 de la structure réelle soit suivant un secteurde 45◦.

Le maillage est réalisé en utilisant le logiciel Catia–Elfini avec des éléments volumiques H8. Ces élémentsoffrent la possibilité d’être dégénérés en H6, ce qui estnécessaire pour notre modèle notamment au niveau dumaillage de la vis. La mousse et les peaux sont modéli-sées avec des matériaux orthotropes. Les caractéristiquesdes éléments sont, soit évaluées expérimentalement, soit

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Figure 5. Déformée ÉF.

données par le fabriquant. Dans le plan transverse, les ca-ractéristiques des peaux sont supposées être celles de larésine. Pour pouvoir modéliser correctement le compor-tement du système, les liaisons insert–peau, vis–peau etsystème expérimental–panneauxsandwich sont représen-tées par des éléments de contact. Le système est chargépar un effort surfacique appliqué à la chape de charge-ment (figure 4) et la précontrainte dans la vis est réa-lisée en appliquant un chargement thermique aux élé-ments représentant la vis. Les conditions aux limites sontles conditions de symétrie sur les faces latérales du pan-neau sandwich et l’axe de la vis. Le déplacement verticaldu bâti est bloqué en translation suivant la directiony.Un effort réparti de 10 kN est appliqué à la chape dechargement. La taille du modèle complet est d’environ100 000 ddl.

6. RÉSULTATS ÉF ET ANALYSE

Comme le montre lafigure 5, on observe un décolle-ment important d’une part entre la peau intérieure et l’ap-pui et d’autre part entre la peau et l’insert. Pour pouvoirobtenir une rigidité comparable à celle des essais, il estimpératif de modéliser complètement le sandwich et dereprésenter les zones en contact.

L’analyse des contraintes de cisaillement transverse( figure 6) montre qu’il existe des contraintes très élevéesdans la peau intérieure dans la zone située au dessus del’insert. Cela s’explique par le fait que la chape empêchela peau de fléchir et par conséquent crée un efforttranchant important. Cette contrainte de cisaillementexplique le délaminage observé expérimentalement danscette zone. Cette contrainte ne peut pas créer une rupture

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Figure 6. Contraintes dans les peaux.

car dès que le délaminage est suffisamment important, larigidité de la peau intérieure diminue et les valeurs deces contraintes chutent. Il est donc nécessaire de pouvoirprendre en compte cette dégradation du stratifié pourmieux analyser le comportement à rupture.

On observe d’autre part que les contraintes de cisaille-ment sont deux fois plus importantes au niveau de la têtede vis qu’au niveau de la collerette de l’insert, aussi bien

pour les inserts résines que métalliques. Cela laisse sup-poser qu’il doit d’abord apparaître un délaminage dansla peau extérieure au niveau de la tête de vis. Un reportdu chargement vers la peau intérieure doit alors se pro-duire qui entraîne la rupture. Ici aussi, il est nécessaire deprendre en compte cette dégradation pour étudier le com-portement en rupture. Dans tous les cas les contraintesdans la mousse sont assez faibles.

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7. CONCLUSION

Cette première étude dans le laboratoire sur les in-serts dans les structures sandwich montre que l’utilisationd’inserts métalliques avec collerette peut être une voie in-téressante pour les inserts devant supporter un pré-serrageimportant. Pour ces inserts, le mode de rupture prépondé-rant correspond à un cisaillement transversal de la peauen contact avec la collerette. Dans le cas où le pré-serragen’est pas trop fort, les inserts en résine s’imposent parleur facilité de mise en œuvre. L’adjonction d’une ron-delle peut permettre d’améliorer ses caractéristiques. Lesinserts métalliques transversant ne sont valables que pourde très faibles charges. Ils présentent en revanche une fa-cilité de mise en œuvre puisqu’ils peuvent être posés unefois le panneau sandwich fabriqué. La modélisation 3Dpermet de retrouver le comportement global et le déla-minage au niveau de la peau intérieure sous la chape. Ce

modèle doit permettre de réaliser une optimisation de laforme des inserts.

Des études sont en cours pour étudier le comportementen fatigue ainsi que le comportement dans des piècessoumises à un chargement complexe.

RÉFÉRENCES

[1] Shealen et al., Robust Composite Sandwich Structures, AIAAPaper n◦ A98-25225, 1998.

[2] A. Dessarthe, Assemblage des matériaux composites, structuressandwich et matières plastiques, Guide du Cetim.

[3] A. Zenkerts, Sandwich Construction, E-MAS Editor, 1997.[4] Thomsen, Sandwich plates with fully potted and through

the thickness inserts: Evaluation of difference in structuralperformances, Composites Structures 37 (1) (1997) 97–108.

[5] Burchardt, Fatigue of sandwich structures with inserts, Compo-sites Structures 40 (1998) 201–211.

[6] Insert Design Handbook, ESA PSS 03-1202, 1987.[7] US Military Handbook Mil-Hbk17.

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