Les composites pour structures ferroviaires : NÃ©cessite d'une nouvelle approche

Mec. Ind. (2000) 1, 223–234 2000 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservésS1296-2139(00)01037-X/FLA

Les composites pour structures ferroviaires :Nécessite d’une nouvelle approche

Jean-Michel Guillemot a*, Yves-Henri Grunevald b

a Société Alstom Transport, Direction Industrielle, 48, rue Albert Dhalenne 93482, Saint-Ouen, Franceb Société DDL Consultants, Pas de Pouyen 83330 Le Beausset, France

(Reçu le 20 février 2000 ; accepté le 27 avril 2000)

Résumé —Les principales caractéristiques du cahier des charges ferroviaire ont été décrites dans cet article. L’atteinte d’un bilanéconomique et technique favorable passe nécessairement par le respect d’une démarche conceptuelle, très spécifique des matériauxcomposites. Cette communication résume la méthodologie nécessaire, les avantages et inconvénients de cette approche. 2000Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

matériaux composites / multimatériaux / ferroviaire / conception / structure légère / rentabilité

Abstract —Composites for railway applications: Necessity of a new approach. The main characteristics of the railway specificationare described in this article. The realization of an economically and technically favourable balance sheet involves the respect of a newdesign approach, very specific to composite materials. This paper summarises the methodology necessary to be used together withthe advantages and disadvantages of this approach. 2000 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

composite materials / multimaterials / railway / design / lightening structure / profits

1. INTRODUCTION

La démarche adoptée pour cet article est de présenterles principales spécificités du cahier des charges destructures ferroviaires.

Puis nous avons volontairement axé notre exposé surl’aspect conception, ou plutôt méthodologie de concep-tion, permettant la meilleure réponse économique et tech-nique au cahier des charges.

L’accent est surtout mis sur les aspects économiqueset industriels qui sont fondamentaux car ils conditionnentle choix ou non des matériaux composites pour un typed’application.

* Correspondance et tirés à part :[email protected]

2. QUELLES SONT LES GRANDESFONCTIONS FERROVIAIRESÀ RESPECTER?

2.1. Principe d’une démarche générale

Le processus de fabrication industrielle d’une struc-ture composite passe par la réalisation d’un certainnombre d’étapes qui, tout en suivant un certain ordre lo-gique, interagissent entre elles dès le départ du projet etpeuvent mener à un certain nombre d’itérations :

• établissement d’un cahier des charges fonctionnel ;

• conception, dimensionnement, calculs ;

• contrôle, essais, réception ;

• analyse industrielle.

La structure ferroviaire ainsi conçue devra être biensûr plus performante mais l’être au meilleur coût. Lescontraintes économiques seront intégrées dès le départdu projet et prises en compte à chacune des étapes duprocessus de réalisation.

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J.-M. Guillemot, Y.-H. Grunevald

2.2. Établissement d’un cahierdes charges fonctionnel

La conception est menée à partir d’un cahier descharges fonctionnel afin de profiter au maximum despropriétés intrinsèques des composites :

• propriétés spécifiques parmi les plus performantes ;

• capacité d’allégement ;

• anisotropie ;

• résistance en fatigue remarquable ;

• intégration des fonctions ;

• nombreuses possibilités de mise en œuvre.

Le succès, en terme économique et technique, estlargement conditionné par cette approche fonctionnelle.Le cahier des charges est donc réalisé à partir d’uneanalyse fonctionnelle où les différentes fonctions deservices et de contraintes sont recensées, caractérisées,puis hiérarchisées.

Il est important de souligner que le cahier des chargesne devra pas faire l’objet de spécifications trop rigides,ou trop inspirées par les propriétés des matériaux métal-liques, empêchant ainsi de tirer parti au maximum desavantages potentiels des matériaux composites.

Comme tous les matériaux traditionnels, les matériauxcomposites doivent contribuer à respecter un certainnombre d’exigences propres à l’industrie du transport engénéral et à celle du ferroviaire en particulier.

Ces principaux paramètres, qui régissent la concep-tion, sont les suivants :

• la sécurité ;

• les performances ;

• la durabilité ;

• le confort ;

• le coût.

2.2.1. La sécurité

Ce facteur est bien évidemment primordial. Il re-groupe en fait deux notions :

(1) la résistance aux sollicitations normales et excep-tionnelles ;

(2) la sécurité incendie (comportement au feu etrésistance au feu).

Concernant l’aspect mécanique des structures, il fautsavoir que les véhicules ferroviaires sont soumis à desefforts importants, répétés et extrêmement variés. La

notion de fatigue des structures est donc à prendre enconsidération.

Le véhicule doit être également conçu pour résister àune collision éventuelle ou pour résister à des surchargesexceptionnelles.

Les structures sont donc calculées afin :

• qu’à aucun moment durant leur durée de vie elles nesubissent de déformations plastiques ou d’endommage-ments propagatifs, en particulier sous l’effet de sollicita-tions exceptionnelles ;

• qu’aucune rupture en fatigue du matériel ne se pro-duise dans les structures durant les 35 années de service ;

• que les fréquences propres des différents équipementset sous ensembles soient suffisamment découplées desfréquences de fonctionnement.

La sécurité incendie est également un paramètre ex-trêmement important qui va limiter, dans bien des cas, lechoix du matériau composite.

En France, la sécurité incendie ferroviaire regroupeessentiellement trois notions :

(1) la réaction au feu ;

(2) la résistance au feu ;

(3) les fumées.

2.2.1.1. Réaction au feu (classement M).Elle défi-nit l’aptitude du matériau à favoriser ou non la combus-tion. La détermination de la réaction au feu résulte de lamesure de plusieurs paramètres tels que :

• l’inflammabilité ;

• la vitesse de propagation de la flamme ;

• la production éventuelle de particules enflammées.

L’essai de réaction au feu est précisé dans la normeNFP 92507. Cet essai permet d’établir un classement desmatériaux du point de vue du risque au feu.

On détermine six classes de matériaux symbolisésM0 à M5 et NC (non classé) (M0 étant le meilleurclassement).

2.2.1.2. Résistance au feu.La résistance au feu sedéfinit comme le temps pendant lequel un élément deconstruction donné est susceptible de remplir le rôle quilui est dévolu malgré le développement de l’incendie.

Ce rôle est apprécié en fonction des critères suivants :résistance mécanique ; étanchéité aux flammes et aux gazinflammables ; isolation thermique.

Les éléments classés « pare-flammes » doivent respec-ter les critères mécaniques et d’étanchéité. Les éléments

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Les composites pour structures ferroviaires

classés « coupe-feu » possèdent les trois caractéristiques.Ces essais de résistance au feu sont décrits dans la normeISO 834.

2.2.1.3. Fumées (classement F).La réglementationfrançaise prend en compte l’opacité et la toxicité desfumées (normes NFX 10702 et 70100).

La mesure d’opacité des fumées est réalisée par laméthode dite de la chambre NBS (National Bureau ofStandards).

On mesure la densité optique spécifique maximaleDmau cours des 20 min de l’essai et la valeur d’obscurcisse-ment due à la fumée pendant les quatre premières minutesde la pyrolyse(V0F4).

On détermine également un indice de toxicité conven-tionnel (ITC), à l’aide d’un four tubulaire, en mesurantles concentrations de sept gaz (CO, CO2, HCl, HBr, HF,HCN et SO2)

ITC= 100ti

ccimesure du gaz en mg par g de gaz brûlé ;cci = concen-tration maximale dans l’air pour le gazi, pouvant êtresupportée durant 15 min sans atteintes biologiques irré-versibles.

Les trois paramètres ainsi obtenusDm,V0F4 et ITCpermettent de calculer un indice de fumées(IF) à l’aidede la formule :

IF = Dm

100+ V0F4

30+ ITC

2

Six classes de matériaux sont ainsi établies vis-à-vis dudanger des fumées :

Classe IFF0 ≤ 5F1 ≤ 20F2 ≤ 40F3 ≤ 80F4 ≤ 120F5 > 120

D’un point de vue purement philosophique, la protec-tion contre l’incendie dans les véhicules ferroviaires dumatériel français est réalisée par :

• la sélection des matériaux constitutifs du véhicule(NFF 16 101, NFF 16 102) ;

• un certain nombre de dispositions constructives réper-toriées dans le norme NFF 16 103.

À noter également que ce domaine incendie va subir uncertain nombre de bouleversements puisqu’au niveau eu-ropéen de nouvelles normes de sécurité incendie ferro-viaires sont en cours d’élaboration par le groupe JWG(Joint Working Group) du CEN TC 256 et du CenelecTC 9X.

À terme, nous devrons donc avoir en Europe uneapproche unique pour garantir la sécurité des passagersen cas d’incendie à bord.

2.2.2. Les performances

Ce critère englobe la notion d’allégement.

Les enjeux d’une réduction des masses sont nom-breux :

• réduction de l’usure des voies et des organes deroulement ;

• accroissement de la capacité de transport (matériel àdeux étages notamment) ;

• augmentation de la vitesse d’exploitation (domaine dela grande vitesse) ;

• diminution des énergies de traction et de freinage (lesecteur particulièrement concerné est le matériel urbainet suburbain).

2.2.3. La durabilité

L’aptitude à l’endurance est évidemment recherchée.La durée de vie du matériel est fixée à environ 35 ans.Le matériel doit donc être fiable longtemps dans unenvironnement vibratoire complexe (le nombre de cyclesvibratoires est supérieur à 109 cycles) et soumis à desconditions climatiques variables.

2.2.4. Le confort du voyageur

Cette notion englobe un certain nombre de paramètressubjectifs (esthétique) et quantifiables (isolation acous-tique, vibratoire, climatique).

2.2.5. Le coût

La contrainte économique est fondamentale aussi bienpour le constructeur ferroviaire que pour les réseauxclients.

Ces coûts englobent essentiellement trois notions :

(1) coûts de réalisation de la fonction (CR) incluantles contrôles ;

(2) coûts d’investissements (CI) ;

(3) coûts d’exploitation et d’entretien (CEE).

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En pratique nous recherchons des solutions pour minimi-ser ces trois postes.

La forte tendance des clients n’est pas d’accepter unsurcoût de fabrication compensé par un gain économiquesur les frais d’exploitation et d’entretien. En effet, mêmesi on parvient à avoir un gain au niveau des coûtsd’exploitation et d’entretien, cela entraîne nullementles opérateurs à accepter un surcoût de fabrication. End’autres termes, la notion de taux d’échange n’existe pasdans le ferroviaire.

À performances bien entendu, au moins égales, le coûtglobal d’acquisition de la fonction doit être évidemmentfavorable.

Dans la très grande majorité des cas, cet élémentéconomique est déterminant pour le passage ou non aucomposite.

Toutefois cette notion de coût doit être précisée ; eneffet, lorsqu’on fait une étude des coûts comparés depièces composites et métalliques, il est fondamental defaire une évaluation en terme de fonction équivalente etnon de pièce. En effet, l’utilisation des composites etleurs techniques de mise en œuvre permettent de réaliser,en une seule fois des pièces multi-fonctionnelles.

Cette notion d’intégration des fonctions est à recher-cher dès le début de la phase conceptuelle du projet.

On le voit donc, l’évaluation économique doit doncêtre établie de manière globale en prenant en compteaussi les effets induits sur les coûts de montage et demaintenance.

L’atteinte d’un bilan avant tout économiquement favo-rable passe nécessairement par le respect d’une démarcheconceptuelle, très spécifique des composites, que nous al-lons préciser.

3. MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALEDE CONCEPTION COMPOSITEPRÉCONISÉE DANS LACONSTRUCTION FERROVIAIRE

Le succès du développement d’une structure compo-site repose essentiellement sur la mise en place et le suivid’une méthodologie dédiée.

Les trois tableaux suivants (figures 1–3) illustrent lesgrandes lignes de cette méthodologie.

3.1. Une démarche fonctionnelle,globale, intégratrice et inversée

L’ordre d’énumération utilisé ci-dessus est extrême-ment important et ne doit pas être modifié lors de la miseen place du cycle de réflexion. En revanche pour en ex-pliquer simplement la raison, il convient de commencerpar commenter la notion de démarche intégratrice.

3.1.1. Une démarche intégratrice

Dans une structure multi-matériaux à base composite,les niveaux d’intégration sont au nombre de cinq. Pourillustrer les trois premiers niveaux nous utiliserons uneterminologie similaire à celle utilisée en mécanique del’endommagement.

3.1.1.1. Premier niveau, à l’échelle microscopique.L’intégration se fait en premier lieu au niveau du choix dela nature de la matrice (polymère thermodurcissable outhermoplastique, matrice organique ou minérale) puis auniveau de sa formulation et enfin au niveau des élémentsd’addition.

Ces derniers peuvent modifier plus ou moins forte-ment certaines propriétés mécaniques, physiques et chi-miques de la résine. Ils se subdivisent en trois classes :

(1) les charges renforçantes comme, par exemple,les micro-billes creuses de verre, de carbone, phéno-liques. . . ;

(2) les charges non renforçantes comme, par exemple,les carbonates de calcium destinés à réduire le coût desmatrices ou le trihydrate d’alumine destiné à améliorer leclassement feu des matrices thermodurcissables ;

(3) les adjuvants ou additifs comme les agents anti-retrait, les agents anti-UV. . .

3.1.1.2. Second niveau à l’échelle mezoscopique.C’est-à-dire au niveau du ou des plis unitaires lors de leurimprégnation en jouant sur la nature des renforts (naturedu matériau de renfort, structure, orientation, massesurfacique, volume de fibre. . .) mais aussi par intégrationd’éléments divers comme par exemple les fibres optiquesou piezo électriques (en développement) pour étudieren fonctionnement les micro-déformées du pli, les filsmétalliques pour assurer un réchauffage local ou lestissus métalliques pour assurer un écran de protection vis-à-vis des perturbations électromagnétiques en champsélectrique essentiellement.

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Figure 1. Méthodologie Générale de développement d’une structure complexe en matériaux composites.

3.1.1.3. Troisième niveau, à l’échelle macroscopique.C’est-à-dire au niveau du stratifié en jouant sur l’or-donnancement des couches (création de précontraintesd’origine thermique) ou en intégrant des éléments oucouches ayant des fonctions bien particulières commepar exemple certains élastomères. Ceux ci, comme leSmactaneTM permettent d’obtenir des structures à amor-

tissement interne très élevé ce qui permet de suppri-mer les amortisseurs ou de réduire les niveaux sonoresdes bruits engendrés par les écoulements enveloppant lastructure. L’insertion de films métalliques permet d’as-surer un écran de protection vis à vis des perturbationsélectromagnétiques en champs électrique mais surtouten champs magnétique et ceci même pour une source

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Figure 2. Definition des concepts potentiels. Pondération. Choix du meilleur compromis.

Figure 3. Etablissement d’un cahier des charges fonctionnel. Tables de pondérations. Définition des interfaces.

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Figure 4. Principe de la Micro-Intégration.

Figure 5. Intégration à une mézo-échelle.

Figure 6. Intégration à l’échelle macroscopique.

proche. Les âmes en mousse jouent un double rôle (mé-canique plus isolation thermique). . .

La liste est bien trop longue et les possibilités bien tropélevées pour qu’il soit possible d’être exhaustif sur un telsujet.

Figure 7. Intégration à l’échelle de la structure.

Figure 8. Intégration au niveau des outillages.

3.1.1.4. Quatrième niveau, à l’échelle de la structure.En jouant sur les concepts (passage d’une structure coquenervurée à une structure sandwich), l’ordonnancementdes phases (co-cuisson ou approche multi-phases) ensupprimant les assemblages et les usinages et en jouantsur la modularité des concepts. C’est à ce niveau quel’approche multi-matériaux permet d’obtenir la réponsela plus performante en terme de rapport qualité/prix.

3.1.1.5. Cinquième niveau, les outillages.L’objec-tif est alors d’obtenir de moulage une pièce dont le de-gré de finition est le plus élevé possible, ceci grâce aupositionnement automatique des inserts, la suppressiondes sur-longueurs, l’obtention des ouvertures directementen moulage. Il est également possible de travailler sur lamodularité des outillages et sur leur fiabilité dimension-nelle lors du cycle de cuisson ce qui permet d’alléger lesgammes de contrôle.

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Nous voyons immédiatement qu’en jouant sur l’en-semble de ces niveaux, le concepteur pourra avoir une ap-proche très différente de celle qu’il pourrait retenir pourdes structures plus traditionnelles. Nous voyons égale-ment que pour tirer pleinement parti de ces potentialitésil convient de mettre en place bien plus qu’un simple ca-hier des charges technique d’où la notion de démarchefonctionnelle et globale.

3.1.2. Une démarche fonctionnelle etglobale

3.1.2.1. L’approche fonctionnelle.Le cahier descharges ne doit définir que les fonctions de la structureet en aucun cas les solutions techniques éventuelles poursatisfaire ces fonctions, ceci afin de tirer le meilleur partide l’approche globale et intégratrice.

3.1.2.2. L’approche globale. Elle se justifie à plus-ieurs niveaux.

• Le choix du positionnement et la nature des interfacesavec l’environnement influence directement la faisabilitéet le coût de la structure. Il n’est pas rare de voir le coûtd’une pièce augmenter de façon très importante suite à unchoix non judicieux concernant la nature ou la position del’interface comme le montre lafigure 11.

• Le problème est le même pour le choix des process,le choix des matériaux, le choix des concepts. Tous cesparamètres sont étroitement liés et donc indissociables.

• La comparaison des coûts entre deux solutions ne peutse faire que sur le coût total du cycle de vie de la pièce(LCC). Il est donc nécessaire pour l’acheteur commepour le concepteur de considérer le produit dans sonensemble ce qui est malheureusement souvent délicat (cedernier peut être très performant dans le domaine desmatériaux composites et ne connaître que peu de chosesen ferroviaire).

• La comparaison des stratégies d’introduction et demaintenance des structures de ce type. En effet, l’usagede structures multi-matériaux à base composite impliquesouvent une remise en cause de la formation des ensem-bliers, du personnel chargé de l’entretien, de la mainte-nance et même des organismes certificateurs qui se trou-vent souvent démunis face à l’usage des composites. Ilconvient donc de considérer le problème dès le départ sil’on ne veut pas aboutir en final à un échec ou une catas-trophe.

3.1.3. Une démarche inversée

Dans la conception métallique, on travaille souvent surla pré-définition d’un concept, la réalisation d’un pro-

Figure 9. Liaisons interfaces, process, matériaux, conception.

totype de validation mécanique et l’industrialisation del’ensemble selon un ou plusieurs process qui peuvent trèsbien être très différents de ceux retenus pour le proto-type. La phase étude commence en général relativementdoucement pour culminer en début d’industrialisation etretomber avant le lancement de la série. Cette démarchen’est pas forcément la bonne mais elle donne néanmoinssouvent satisfaction et offre l’avantage non négligeablede limiter les risques financiers en amont du projet. Elleest possible car les caractéristiques matériaux sont, en gé-néral, moins influencées par le process de mise en œuvreque dans le cas des matériaux composites et qu’il est tou-jours possible de rajouter de la matière, de réaliser desusinages, bref de modifier la géométrie de la structuresans altérer fortement ses caractéristiques.

Dans la conception composite et encore plus dansla conception multi-matériaux à base composite, celaest impossible. Comme nous l’avons vu, il n’existeaucun matériau standard et les propriétés mécaniques,physiques, chimiques, électriques. . . sont intimementliées au processus de mise en œuvre. Cela va même plusloin puisque deux entreprises utilisant le même processpeuvent obtenir en final des produits aux caractéristiquessensiblement différentes en fonction de leur degré demaîtrise du processus global de fabrication ou du choixdes concepts.

De même, la notion de multi-matériaux introduit unenotion d’interface entre les matériaux quelque soit la na-ture de cette interface (micro- ou macro-mécanique), celaintroduit également la notion de transfert de flux d’ef-forts et donc de raideurs relatives. Le comportement de lastructure est donc directement lié au choix de ces associa-tions et à leurs capacités à fonctionner harmonieusement.

Enfin les coûts série sont eux aussi liés aux processretenus et donc à la conception série du produit.

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Figure 10. Répartition des dépenses en fonction du temps entre une approche traditionnelle et inversée.

Pour ne citer qu’un exemple, le drapage automatiséde pré-imprégnés permet de traiter plusieurs dizainesde kg·h−1 et même parfois beaucoup plus alors que ledrapage manuel ne permettra pas de dépasser, en cadencemaximale, 2 à 3 kg·h−1 par contre la machine ne pourrapas travailler dans des zones complexes, c’est donc auconcepteur d’adapter sa définition pour pouvoir utiliserles bon process industriels.

En résumé, celui-ci doit, dès le départ, raisonner surle concept série et ceci de façon assez poussée. Leprototypage étant là pour valider la tenue mécanique maissurtout la faisabilité industrielle du concept. Comme ilest très rarement possible d’investir initialement dansdes outillages série pour le prototype, le concepteurdevra raisonner au niveau de ce dernier par homothétieglobale en partant sur un process de fabrication bienadapté à la fabrication unitaire. L’inconvénient majeur decette approche est l’augmentation du risque en amont,l’avantage principal est, en général, une réduction dutemps et du coût global de développement. Ceci àcondition d’adjoindre au raisonnement une notion degestion de la limite de compétence car il devient trèsrapidement extrêmement coûteux de vouloir fabriquerune structure multi-matériaux en cherchant d’abord àdépasser ses limites dans le domaine.

La figure 10illustre la comparaison de la répartitiondes dépenses entre une approche traditionnelle et uneapproche multi-matériaux à base composites.

3.2. Les limites de cette démarcheet de ces concepts

Depuis toujours, le métier d’ensemblier ferroviaire estintimement lié aux métiers de la métallurgie. Il peut enrésulter plusieurs difficultés.

• Au niveau des structures, la définition du besoin estsouvent basée sur une approche métallique et les cahiersdes charges sont trop directifs en ce qui concerne la so-lution à retenir. De plus de part l’organisation internetrès sectorisée de la plupart des maîtres d’ouvrages etmaîtres d’œuvres, il n’y a pas d’interaction fonctionnelledirecte entre les aspects mécaniques, thermiques, élec-triques, électroniques. Enfin, l’usage des métaux fait quecertaines fonctions comme le retour de courant de trac-tion ou la mise à la masse sont « naturellement » satis-faites depuis des décennies sans que personne ne chercheà remettre en question l’approche du problème. Si l’onn’y prend pas garde, les cahiers des charges peuventn’être ni fonctionnels ni globaux.

• Il n’existe pas de matériaux standards et, si il veutêtre compétitif économiquement, le concepteur doit, pourchaque structure étudiée, personnaliser son approche. Ilne peut donc plus y avoir de produits « catalogue ».

• L’anisotropie, l’hétérogénéité, la sensibilité aux effetsde bords, aux efforts tranchants, le traitement des inter-faces compliquent sérieusement le dimensionnement etoblige le concepteur à travailler avec des coefficients de

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Figure 11. Exemples d’approches potentielles pour traiter uneinterface.

sécurité élevés si il ne veut pas dépasser son enveloppede compétences.

• Le choix des interfaces (positions, natures. . .) avecles autres éléments (structures, aménagements, équipe-ments. . .) sont implicitement imposés, limitant considé-rablement l’approche globale et intégratrice. Le schémaci dessous, issu d’un exemple industriel réel, illustre ladifférence entre deux approches, l’une issue de la concep-tion d’une pièce métallique et l’autre, plus composite.Bien entendu les coûts associés ne sont pas réels et lastructure légèrement modifiée mais les écarts entre lesdeux solutions sont respectés. Nous voyons immédiate-ment le gain apporté par une solution réellement compo-site.

• De même, la conception, le dimensionnement, la miseen œuvre, l’utilisation et la maintenance de ces matériauxnécessitent une approche spécifique. Il est donc néces-saire de former l’ensemble du personnel de l’industrie etdes opérateurs ferroviaires à l’usage de ces nouveaux ma-tériaux. Ceci constitue d’ailleurs le seul véritable frein liéà l’usage de ces concepts.

L’usage des matériaux composites et l’associationavec d’autres matériaux posent également quelques pro-blèmes propres.

Figure 12. Coûts matières.

• Les coûts matières sont pratiquement toujours plus éle-vés que pour la plupart des matériaux traditionnellementutilisés actuellement dans le ferroviaire. Cela ne signi-fie en rien que le produit final sera plus cher si l’on ap-plique la méthodologie explicitée précédemment mais, enrevanche, cela constitue une barrière psychologique im-portante. À titre d’exemple : un chaudron (infrastructured’un wagon) en acier coûte moins de 100 F·kg−1 une foisfini, un kilogramme de pré-imprégné carbone HR (HauteRésistance) époxy classe 120◦C coûte à l’achat au mi-nimum 200 F·kg−1 et il faut rajouter à ce prix le coûtde la transformation. Si ce raisonnement peut être mis endéfaut c’est de toute façon au prix d’une démonstrationcomplexe et coûteuse, ce qui explique la persistance deces idées que l’on pourrait qualifier de « reçues ».

• Le cycle de développement « inversé » implique un rai-sonnement « série » ainsi que l’existence d’un cahier descharges global et fonctionnel dès le départ. Comme lemontre lafigure 10cette approche a l’inconvénient de né-cessiter un investissement amont un peu plus important.Ce sont des matériaux « nouveaux » ayant pour les plusanciens environ 50 années d’existence industrielle soitmoins de deux fois la durée de vie des équipements fer-roviaires. Le retour d’expérience est donc encore faiblemême s’il existe et commence à être très instructif. Lesconcepts multi-matériaux sont encore plus récents (moinsde 20 ans pour les premiers si l’on exclut les inserts). En-fin, le traitement industriel des interfaces effraie souvent

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le concepteur ce qui peut constituer un autre frein psy-chologique.

La démarche structures multi-matériaux à base com-posites ne peut être qu’une démarchevolontaire. En ef-fet ; un grand nombre de défauts cités précédemment peu-vent devenir des avantages si le concepteur fait l’effortsupplémentaire d’en tirer parti.

3.3. Les principaux avantages de cettedémarche et de ces concepts

Nous pourrions citer de façon non exhaustive l’hété-rogénéité, l’anisotropie et la nature intrinsèquement mul-ti-matériaux des composites permet au concepteur demettre réellement « le bon matériau au bon endroit etpour les bonnes fonctions ». De plus il existe des moyensde calcul performants comme, par exemple, le logicielde calculs par éléments finis SamcefTM, très bien adaptéà l’approche composite grâce, entre autre, à une impor-tante bibliothèque d’éléments finis dédiés aux matériauxanisotropes et multi-couches. Ces matériaux peuvent deplus être sensibles aux efforts tranchants et avoir un com-portement non-linéaire ce qui couvre déjà un nombreélevé de cas. En ce qui concerne les effets de bords,le logiciel KeopsTM permet le traitement d’un nombreimportant de problèmes. Ce logiciel utilise les résultatsprovenants du code de calcul par éléments finis MefMosaicTM et plus particulièrement son module compo-site ComposicTM pour réaliser son post-traitement. Letraitement des effets de bords, la sensibilité à l’effort tran-chant, le choix des interfaces peut donc être généralementrésolu lors de la conception même.

La nature des matériaux et la très grande variétédes process de mise en œuvre associés permettent deréaliser une intégration multi-niveaux (microscopique,mézoscopique, macroscopique, structurelle et au niveaudes outillages). Les matériaux deviennent naturellementet sans effort supplémentaire, multi-fonctionnels. Il estalors possible d’optimiser.

• L’aspect technique (par exemple un même multi-matériau peut assurer simultanément l’isolation phoniqueet thermique, la tenue structurelle de la pièce, l’esthétiqueet une fonction amortissante par exemple. Sans compterque la plupart des matériaux composites sont insensiblesà la corrosion).

• L’aspect économique en intervenant à deux niveaux :(1) l’intégration des fonctions et donc suppression de

matériaux et éléments complémentaires rapportés par lasuite (par exemple une mousse isolante thermiquement

Figure 13. Exemples d’approches potentielles pour réaliserune baie et son cadre.

et phoniquement, un traitement anti-corrosion, la mise enplace d’amortisseurs ou même de suspensions. . .) ;

(2) l’intégration d’opérations par suppression d’usi-nages, d’assemblages, de phases de contrôle. Par exemplesuivant la technologie retenue, il est possible d’obtenirun cadre de baie complet directement lors du moulagedu chaudron supprimant ainsi les reprises d’usinage, l’as-semblage des éléments et le contrôle de la géométrie de labaie. Pour retenir une telle approche, il convient de dispo-ser d’un moule fiable et très stable dimensionnellement.Si cela est le cas, la reproductibilité du concept et la satis-faction des contraintes dimensionnelles et géométriquessont assurées. Il n’est donc plus nécessaire de contrôlerces éléments sur la baie.

Les choix judicieux d’interfaces et l’approche glo-bale favorisent la réduction des temps de fabrication(flux tendus, flexibilité accrue, nombre de sous ensemblesréduits. . .). Dans le cadre du ferroviaire, cela facilite éga-lement l’approche « voiture modulaire et donc personna-lisable rapidement » ce qui commence à constituer uneforte demande des opérateurs. Prenons par exemple lessièges qui nécessitent des fixations capables de reprendredes efforts très importants. Il est, par exemple, possiblede définir une telle fixation en un point précis au niveaud’un plancher sandwich si l’insert est mis au montage. Ildevient beaucoup plus difficile de changer la position du

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Figure 14. Coûts comparés de ces deux solutions.

siège par la suite car la mise en place d’un insert struc-turel par l’extérieur est toujours une opération industriel-lement complexe du moins à des niveaux de coûts com-patibles avec les exigences de l’industrie ferroviaire. Sile concepteur souhaite une modularité future, il doit doncdès le départ intégrer celle-ci ce qui n’est, au demeurant,pas plus difficile ni plus coûteux que d’intégrer les siègesau départ. En revanche, le gain final est sensible puisqueselon le concept retenu, l’opérateur pourra faire évoluerson véhicule très rapidement pour transformer un amé-nagement « première » en aménagement « seconde », ouun transport passagers en transport de fret à l’image desavions de l’Aéropostale dont les équipements sont dé-montés chaque soir.

Il est souvent reproché aux composites de manquer defiabilité. Dans la plupart des cas, ceci résulte d’une ap-proche inadaptée à ces nouveaux matériaux. Mais celan’est pas réellement un problème. En effet si, commenous écrivions précédemment, le concepteur raisonnedans une enveloppe de connaissances « restreintes » oudu moins dont les limites sont parfaitement connues,il pourra appliquer des coefficients de sécurité ou sansdoute plus exactement d’ignorance forts et investir rela-tivement peu en développements ce qui lui permettra desatisfaire les exigences économiques et techniques impo-sées par le marché. Bien entendu ce raisonnement a unelimite car l’enveloppe des connaissances minimales estdéjà relativement importante. Notons toutefois que l’ex-périence que nous pourrons acquérir et une connaissance

sans cesse accrue de ces matériaux permettra dans le fu-tur une nouvelle optimisation significative.

En terme de formation, les compétences et les moyensexistent et même si les coûts associés sont non négli-geables, ils sont très largement compensés par les gains.

Enfin, il n’existe pas de verrou technologique majeurrisquant de limiter à court terme l’usage de ces matériauxet de ces concepts dans le ferroviaire et les voies dedéveloppement sont extrêmement prometteuses.

4. CONCLUSIONS

On peut aujourd’hui affirmer que plus les struc-tures étudiées sont multi-fonctionnelles plus les conceptsmulti-matériaux à base composite sont concurrentielstechniquement et économiquement.

Ces concepts permettent d’obtenir :

• Un gain technique en fournissant des solutions réelle-ment plus performantes en terme de confort, de caracté-ristiques mécaniques, d’allégement.

• Dans le cas particulier du ferroviaire et en ce quiconcerne les trains à grande vitesse, une diminution d’aumoins 20 % des prix de revient des voitures équipées, cecisans prendre en compte les effets induits comme :– La réduction des délais de fabrication. À titre d’exem-ple, la fabrication complète d’un chaudron intégré de vé-hicule grande ligne comprenant l’isolation thermique, lescadres de baies et de portes, les conduits de ventilation,les supports d’équipements. . . représente de l’ordre de150 h et peut être automatisée à plus de 50 %.

– La réduction des surfaces de production car il est alorsbeaucoup plus aisé de travailler en flux tendu et de réduireà la fois la taille de la chaîne et celle des stocks. Laréduction des stocks induisant elle même une réductiondes frais financiers.

– La réduction des prix des matériaux hautes perfor-mances suite à l’accroissement de la demande.

– Une réduction des coûts d’exploitation grâce à plusde modularité et de maintenance grâce aux propriétésspécifiques de ces concepts.

• Des retours sur investissements tout à fait compatiblesavec les exigences des nouveaux marchés, ceci même enincluant l’évolution profonde des formations.

Cette approche est donc économiquement et techni-quement justifiée, même si celle-ci remet en cause cer-tains côtés « traditionnels » du métier d’ensemblier oud’opérateur ferroviaire qui, de toute façon, risquent d’êtrebouleversés par l’évolution internationale des marchés.

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Les composites pour structures ferroviaires : NÃ©cessite d'une nouvelle approche