TD - Notions de conception de section de raidisseur en composite

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



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


Front Fuselage

Weight Rear Fuselage

Weight

HTP Loads

Wing Aero Loads


Fuselage compression

Belly fairing loaded

by Deflection Compatibility

Front Fuselage

WeightRear Fuselage

Weight

HTP Loads

Wing Aero Loads


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


• Modélisation poutreModélisation : encastrement

Modélisation : effort ponctuel

Modélisation : encastrement

Modélisation : effort reparti


• Modélisation poutre


( ex: 45PSI 0.315MPa)

Exercice:

– Par rapport aux efforts, comment obtenir les moment de flexion et effort tranchant?


• Modélisation poutre


( 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


Exercices: – Commenter / critiquer la modélisation poutre.(par rapport à la réalité)– Définir le torseur d’effort max + tracer approx. les courbes T et Mf


• 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


• 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


• Contraintes design- Environnement : présence d’élément Système limitant la hauteur de la section à

80mm- Fixation : diam 7.9- Forme de la section :

80mm


• 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


• 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)


• 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

?


• 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


• 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


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 »


Cuisson ensemble (au final : 1 seule réelle pièce)

• Co-BondComposant 1 : « cuit »


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

Documents

TD - Notions de conception de section de raidisseur en composite