PROJET DE FIN D'ETUDES - Altair University .PROJET DE FIN D'ETUDES Conception d’un Monocoque Carbone

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  • PROJET DE FIN D'ETUDES

    Conception dun Monocoque

    Carbone

    Ingnieurs : KOCH Morgan

    BIZET Romuald

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    Sommaire

    Prsentation ................................................................................ 3

    I. Etat de lArt ............................................................................. 4

    a) Types de Fabrications...................................................................... 4

    b) Caractristiques des Moules ........................................................ 9

    c) Aspect conomique des diffrents procds ....................... 10

    d) Choix pour la ralisation du monocoque carbone ............... 11

    e) Thorie du Composite .................................................................... 12

    f) Contraintes de Conception Prendre en Compte Durant la

    Ralisation ................................................................................................ 16

    II. Budget ................................................................................... 23

    III. Conception du monocoque .............................................24

    IV. Simulation du monocoque ............................................. 26

    a) Prparation du modle ................................................................. 26

    b) Processus doptimisation dun matriau composite dans

    Hyperworks. ........................................................................................... 35

    c) Rsultat de loptimisation ............................................................ 46

    V. Conclusion ........................................................................... 48

    a) Rsultats obtenus .......................................................................... 48

    b) Travaux restant effectuer ....................................................... 48

    c) Conclusion gnrale ...................................................................... 49

    VI. Annexes ............................................................................... 50

    VII. Rfrences ......................................................................... 55

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    Prsentation

    Dans le cadre de la comptition internationale Formula Student organise par la SAE (Society of Automotive Engineers), lquipe de lENIM FORMULA STUDENT, compose de la plupart des lves de loption CMAO Sports Mcaniques, ncessite de concevoir une monoplace de course afin de dmontrer les capacits de notre cole former des ingnieurs en mcanique comptitifs et possdant un esprit dquipe hors pair.

    Afin danticiper les volutions entre chaque Formula Student produite lcole et dans

    le but damliorer la comptitivit, lquipe 2012-2013 a propos lENIM un sujet de Projet de Fin dEtudes qui servira aux futures quipes de loption CMAO Sports Mcaniques et tous les types de projets ncessitant ltude prliminaire de la conception dun monocoque carbone.

    Lobjectif principal de ce projet est deffectuer la conception dun monocoque carbone afin que les prochaines monoplaces puissent remplacer le chssis tubulaire par un monocoque carbone. Ltude commencer par le choix du procd qui nous indiquera si le monocoque peut tre ralis lENIM ou bien sous-traiter. En fonction des choix un chiffrage du cot du monocoque sera ralis.

    De plus, la conception du monocoque carbone sera ralise. Le calcul et loptimisation de ce monocoque sera faite grce au soutien dALTAIR qui nous a fourni une formation sur leurs logiciels dans le cadre dun partenariat avec lENIM FORMULA STUDENT.

    Dans la comptition Formula Student, le chssis est soumis un rglement, le monocoque devra donc rpondre diffrentes exigences imposes par ce rglement. Ltude et le dimensionnement du monocoque seront donc bass sur les exigences de la SAE.

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    I. Etat de lArt

    a) Types de Fabrications

    1. Le procd dinfusion

    Le procd dinfusion est linjection sous vide dune rsine basse viscosit dans un

    stratifi. Les couches de renforts sont appliques sec dans un moule, ce moule est ensuite mis sous vide. Le vide cr permet de compacter le stratifi et de vrifier quil ny a aucune fuite dair. La rsine pr-mixe est ensuite introduite et migre travers le stratifi jusqu ce que la pice soit totalement imprgne.

    Avantages de linfusion :

    Linfusion est un procd conomique : le stockage et le transport sont faciles (pas de conglation), le cot de loutillage est rduit (pas de moules haute temprature).

    Linfusion ncessite peu de matriels supplmentaires, pompe vide, filtre rsine, conduits de rsine et de vide, connecteurs de vide, mlangeur de rsine (le mlange peut galement tre ralis manuellement).

    Inconvnients de linfusion :

    Linfusion est base sur deux principes physiques: la permabilit et la diffrence de pression. Il ny aurait pas de migration de la rsine si les renforts ntaient pas poreux ou si la pression tait constante. Ces paramtres sont difficiles valuer sans perte de temps, de matire et dargent.

    Figure 1 : Schma de principe de l'infusion

    Figure 2 : Schma de principe de l'infusion

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    Une simulation est ncessaire pour visualiser le parcours de la rsine dans le moule. Il faut que la rsine sinfuse correctement dans tout le moule. Des modules existent dans les logiciels de conception, il existe galement diffrents logiciels dvelopps par les entreprises dans le milieu du composite.

    Il est difficile de contrler le pourcentage de fibre et de rsine sur tout le moule.

    De plus, trois infusions seront ncessaires, donc trois manipulations, une pour la premire couche de carbone, la deuxime pour les renforts et une autre pour la couche finale de carbone.

    2. Le carbone

    Le procd de fabrication : Le procd de fabrication des fibres passe par plusieurs tapes :

    La matire premire : lAcrylonitrile (un sous-produit du ptrole) subit une dissolution par un solvant, puis une polymrisation, un filage et des traitements spcifiques pour obtenir le PolyAcryloNitrile (PAN) que lon nomme aussi prcurseur.

    Le PAN passe ensuite par une phase de stabilisation et de rticulation par injection

    doxygne 200-300C (le PAN devient alors infusible), puis par une phase de carbonisation en atmosphre inerte entre 1200 et 1500C (la fibre acquiert sa rsistance). Cette phase de carbonisation ne dure que quelques minutes.

    Deux possibilits ce stade :

    - Fibres de carbone standard (Fibre Haute Rsistance et Module Intermdiaire): traitement de surface par lectrolyse pour permettre laccrochage des rsines (ensimage), puis gainage par rsine poxy avant bobinage.

    - Fibres de carbone haute rsistance (Fibres Haut Module) : graphitisation (cristallisation) environ 2000C, puis traitement de surface, gainage et bobinage.

    La matire premire qui vaut de lordre de 2 Euros/Kg donne naissance des produits

    dont le montant slve de 200 1000 Euros/kg

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    Les procds de transformation : Plusieurs procds de transformation sont utiliss suivant les produits fabriqus:

    Figure 3 : Procds de transformation

    Les fibres de carbone peuvent tre utilises suivant diffrents agencements en fonction de

    la destination des produits :

    Enroulement filamentaire : pour la fabrication des tubes et des rservoirs haute pression en particulier,

    Produits pultruds : - les joncs standards (section ronde de 2 12 mm de diamtre) : dans le cas o de

    fortes contraintes sont en jeu : offshore en grande profondeur, en gnie civil pour des ouvrages haubans,

    - les joncs haute tenue thermique : utiliss comme armature de renfort ayant une excellente rsistance la fatigue et ne subissant pas doxydation dans le temps,

    - les plats (section rectangulaire) : principalement pour le gnie civil, ces produits ayant une faible densit et de trs bonnes proprits mcaniques, do un gain de poids.

    Moulage par injection : avec des fibres en morceaux (de quelques diximes de mm de

    longueur) enrobes dans un rsine, de faon obtenir des produits ayant des caractristiques identiques dans plusieurs directions, par exemple les capots de voitures et les caissons dordinateurs.

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    Produits tisss et mats : il y a deux types de tissus, le tissu sec et le pr-imprgn, chacun peuvent avoir diffrents tissages.

    Figure 4 : Types de tissages

    Tissus secs : maillage de fibres : pour lautomobile, les bateaux

    Pr-imprgns : Les prepregs ou pr-imprgns sont des demi-produits, de faibles

    paisseurs, dont les fibres sont parallles et jointives avec un enrobage de rsine, prts l'emploi pour l'utilisation en fabrication. Ce composite fortement charg est destin au moulage chaud sous pression pour fabriquer un produit fini, produit surtout destin aux industries automobiles et aronautiques. Le cycle standard de cuisson est de 8 heures 75C (167F), avec une pression situe entre 0.8 and 3 bar. Dautres cycles de caisson peuvent tre utiliss :

    - 65C (149F) 16 heures - 90C (194F) 90 minutes - 120C (250F) 40 minutes

    Avantages des pr-imprgns :

    L'avantage par rapport l'injection d'une rsine dans un renfort sec est une meilleure tenue l'impact grce la prsence de thermoplastique dans la rsine.

    Un autre avantage est que le pr-imprgn colle sur lui-mme ou sur un moule, ce qui permet une mise en position plus facile.

    Le pourcentage de fibre et de rsine est connu.

    Faible pression de moulage, de 0,8 3 bar

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    Inconvnient des pr-imprgns :

    Les pr-imprgns se conservent basse temprature (-18).

    La transformation d