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Aide à la conception optimale d'une section de fuselage d'avion entièrement composite

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Academic year: 2021

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HAL Id: hal-01495625

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01495625 Submitted on 25 Mar 2017

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Public Domain

Aide à la conception optimale d’une section de fuselage

d’avion entièrement composite

Magali Olivier-Mailhé, Samir Ben Chaabane, Françoise Léné, Stéphane Grihon, Georges Duvaut

To cite this version:

Magali Olivier-Mailhé, Samir Ben Chaabane, Françoise Léné, Stéphane Grihon, Georges Duvaut. Aide à la conception optimale d’une section de fuselage d’avion entièrement composite. 8e Colloque national en calcul des structures, CSMA, May 2007, Giens, France. �hal-01495625�

(2)

5HYXH9ROXPH;±Qƒ[DQQpHSDJHVj;

$LGHjODFRQFHSWLRQRSWLPDOHG¶XQHVHFWLRQ

GHIXVHODJHG¶DYLRQHQWLqUHPHQWFRPSRVLWH





0DJDOL2OLYLHU0DLOKp  ²6DPLU%HQ&KDDEDQH



²)UDQoRLVH

/pQp ²6WpSKDQH*ULKRQ



²*HRUJHV'XYDXW 





*Département de Mécanique des systèmes,

Ecole Supérieure d’Ingénieurs Léonard de Vinci

2/12 av Léonard de Vinci 92916 Paris la défense cedex magali_mailhe@yahoo.fr

**Laboratoire de Mécanique, Matériaux et Structures,

Université Pierre et Marie Curie

4 pl Jussieu

75252 Paris Cedex 5

***Airbus Toulouse ESANT

7RXORXVH&HGH[



RÉSUMÉ. L’utilisation de matériaux composites pour concevoir un fuselage ouvre de nombreuses possibilités et permet un allègement notable. La modélisation par éléments finis d’un barrel percé d’ouvertures est menée. L’étude de l’influence de plusieurs paramètres est proposée afin de déterminer le type de conception répondant au critère de stabilité au flambage tout en assurant un poids minimal.

ABSTRACT. Using composite materials to build aircraft structures allows minimizing the weight. It also presents new parameters that can be optimized. The finite element modelling of a barrel with several openings is presented. This study exposes the influence of several factors on the critical buckling load and determines the best type of conception in terms of weight.

MOTS-CLÉS: matériaux composites, fuselage, flambage KEYWORDS: composite materials, fuselage, buckling

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5HYXH9ROXPH;±Qƒ[DQQpH ,QWURGXFWLRQ

/¶LQGXVWULH DpURQDXWLTXH FKHUFKH j JpQpUDOLVHU O¶XWLOLVDWLRQ GHV PDWpULDX[ FRPSRVLWHV GDQV OD IDEULFDWLRQ GH VHV DYLRQV /H WUDYDLO SURSRVp LFL FRQFHUQH OD FRQFHSWLRQ GXQH VHFWLRQ FRXUDQWH GH IXVHODJH HQ PDWpULDX[ FRPSRVLWHV /D PRGpOLVDWLRQ SDU pOpPHQWV ILQLV SHUPHW O¶DQDO\VH GH O¶LQIOXHQFH GH GLIIpUHQWV SDUDPqWUHVVXUODVWDELOLWpDXIODPEDJH/DGpPDUFKHSURSRVpHFKHUFKHjRSWLPLVHU OH SRLGV WRXW HQ YpULILDQW OHV FULWqUHV GH VWDELOLWp DX IODPEDJH SRXU XQ FDV GH FKDUJHPHQWGRQQp

*pRPpWULHHWK\SRWKqVHVGXPRGqOHXWLOLVp

/DJpRPpWULHDLQVLTXHOHFKDUJHPHQWHWOHVFULWqUHVGHFRQFHSWLRQVRQWIRXUQLV SDU$LUEXV/DVWUXFWXUHpWXGLpHHVWXQHSRUWLRQFRXUDQWHGHIXVHODJHPRGpOLVpHGH IDoRQVLPSOLILpHSDUXQF\OLQGUHUHQIRUFpGDQVOHVGHX[GLUHFWLRQV ORQJLWXGLQDOHHW RUELWDOH  'HV RXYHUWXUHV FRUUHVSRQGDQW j GHV KXEORWV VRQW pJDOHPHQW SULV HQ FRPSWH/¶HQVHPEOHGXF\OLQGUHHVWVRXPLVjXQHSUHVVLRQLQWHUQHDJLVVDQWFRPPH XQHSUpFRQWUDLQWH/DPRGpOLVDWLRQSDUpOpPHQWVILQLHVWPHQpHGHODIDoRQVXLYDQWH XQH SHDX FRPSRVLWH DYHF XQ HPSLOHPHQW H[SOLFLWH HVW FROOpH j XQH WUDPH GH UDLGLVVHXUV PRGpOLVpV SDU GHV SRXWUHV /H GpSODFHPHQW GHV Q°XGV FRPPXQV j OD SHDXHWDX[UDLGLVVHXUVHVWLGHQWLTXH/HFRPSRUWHPHQWGHFHVSRXWUHVHVWFDOFXOpDX SUpDODEOHHQIRQFWLRQGXPDWpULDXFRPSRVLWHXWLOLVpHWGHODJpRPpWULHGXSURILOGHV UDLGLVVHXUV /HV PDWpULDX[ FRPSRVLWHV VRQW GHV VWUDWLILpV FRPSRVpV GH FRXFKHV RULHQWpV GDQV OHV  GLUHFWLRQV   /HV ODPLILpV XWLOLVpV UpSRQGHQW j SOXVLHXUVFULWqUHVPpWLHUGpILQLVSDU$LUEXV



)LJXUHSection courante de fuselage simplifiée

/D JpRPpWULH JOREDOH GH OD VWUXFWXUH ORQJXHXU UD\RQ SRVLWLRQ HW IRUPH GHV RXYHUWXUHV  HVW ILJpH 'H PrPH OH FKDUJHPHQW UHSUpVHQWDQW XQ DWWHUULVVDJH G\QDPLTXHHVWGRQQp/HQRPEUHHWODSRVLWLRQGHVUHQIRUWVRUELWDX[VRQWIL[HV/D

(4)

&RQFHSWLRQRSWLPDOHG¶XQIXVHODJHFRPSRVLWH IRUPH GX SURILO GHV UDLGLVVHXUV HVW FRQQXH PDLV OHV ORQJXHXUV GH FKDTXH VHJPHQW SHXYHQW YDULHU HQWUH GHV ERUQHV GpILQLHV /H SRVLWLRQQHPHQW GHV OLVVHV UHQIRUWV ORQJLWXGLQDX[ HVWDXVVLXQSDUDPqWUHG¶RSWLPLVDWLRQ'HPrPHOHW\SHGHVWUDWLILp XWLOLVpSHXWYDULHUjFRQGLWLRQGHUHVSHFWHUOHVUqJOHVPpWLHUV

. 'pWHUPLQDWLRQGHO¶LQIOXHQFHGXVWUDWLILp

 /¶REMHFWLI GH O¶pWXGH FRQVLVWH j LGHQWLILHU OHV SDUDPqWUHV TXL SHUPHWWHQW G¶REWHQLU XQH VWUXFWXUH UpVLVWDQWH DX IODPEDJH SRXU XQ IDLEOH SRLGV /¶XWLOLVDWLRQ H[FOXVLYHGHVPDWpULDX[FRPSRVLWHVjODIRLVSRXUODSHDXHWSRXUOHVUDLGLVVHXUVGRLW QRXV SHUPHWWUH G¶DERXWLU j FH UpVXOWDW /D SUHPLqUH pWXGH PHQpH FRQVLVWH GRQF j GpWHUPLQHUO¶LQIOXHQFHGHGLIIpUHQWVW\SHVGHODPLILpVVXUODUpSRQVHDXIODPEDJHGX F\OLQGUH



Effets de divers stratifiées pour la peau

 $ILQ GH GpFRXSOHU OHV HIIHWV OHV FDUDFWpULVWLTXHV GHV UDLGLVVHXUV QRPEUH SRVLWLRQFRPSRUWHPHQW VRQWILJpHVHWVHXOOHODPLILpXWLOLVpSRXUODSHDXYDULH/H WDEOHDXUpFDSLWXOHODSUHPLqUHFKDUJHFULWLTXHHWODPDVVHSRXUGLIIpUHQWVVWUDWLILpV YpULILDQWOHVUqJOHVPpWLHULPSRVpVSDU$LUEXV



QESOLV GpILQLWLRQ FKDUJHFULWLTXH PDVVH    V     V      V      V     V     V      V      V      V   

7DEOHDXEffet de la peau sur la charge critique et la masse

 /HV UpVXOWDWV REWHQXV VRQW DLVpPHQW LQWHUSUpWDEOH /D FKDUJH FULWLTXH DXJPHQWHJOREDOHPHQWDYHFOHQRPEUHGHSOLV(QHIIHWSOXVOHODPLILpHVWpSDLVHW SOXV OD VWUXFWXUH HVW ULJLGH &HSHQGDQW SRXU XQ SRLGV pTXLYDOHQW OHV PHLOOHXUV VWUDWLILpVSRXUODSHDXVRQWFHX[TXLSUpVHQWHQWOHSOXVJUDQGQRPEUHGHSOLVRULHQWp j ƒ HW ƒ (Q IDLW FHV VWUDWLILpV RQW XQ FRPSRUWHPHQW TXL VH UDSSURFKH G¶XQ PDWpULDXKRPRJqQH

(5)

5HYXH9ROXPH;±Qƒ[DQQpH

Effets de divers stratifiés pour les raidisseurs

/¶pWXGHGHO¶LQIOXHQFHGHVGLIIpUHQWVVWUDWLILpVFRPSRVDQWOHVUDLGLVVHXUVHVWSOXV GpOLFDWHjPHQHUFDUHOOHQpFHVVLWHXQFDOFXOSUpDODEOHGXFRPSRUWHPHQWpTXLYDOHQW GHV SRXWUHV FRPSRVLWHV /HV PHLOOHXUV UpVXOWDWV VRQW REWHQXV DYHF GHV ODPLILpV FRPSRVpV HQ PDMRULWp GH FRXFKHV RULHQWpV j ƒ &¶HVW QDWXUHO pWDQW GRQQp OD SUpSRQGpUDQFHGHO¶LQIOXHQFHGHVUDLGLVVHXUVORQJLWXGLQDX[(QHIIHWOHVUHQIRUWVOH ORQJGXF\OLQGUHVRQWOHVFRPSRVDQWVPDMHXUVGHODULJLGLWpGHFHWWHVWUXFWXUHSRXUOH FKDUJHPHQWGHIOH[LRQFRPSRVpHDSSOLTXp

$ILQGHVLPSOLILHUODFRQFHSWLRQG¶XQWHOIXVHODJHLOHVWVRXKDLWDEOHTXHOHW\SH GH VWUDWLILp XWLOLVp VRLW OH PrPH SRXU OD SHDX HW SRXU OHV UDLGLVVHXUV ,O IDXW GRQF WURXYHUXQFRPSURPLV/HVWUDWLILpjFRXFKHV  HVWUHWHQX SRXUOD VXLWHGH O¶pWXGH,OFRPSRUWH VXIILVDPPHQWGHFRXFKHV RULHQWpHV j ƒSRXU VDWLVIDLUH OHV EHVRLQV GHV UDLGLVVHXUV WRXW HQ pWDQW KRPRJqQH SRXU OD SHDX 6RQ QRPEUHGHSOLQ¶HVWSDVWURSpOHYpFHTXLSHUPHWGHOLPLWHUOHSRLGVGHODVWUXFWXUHHW GRQFG¶HQYLVDJHUG¶DXJPHQWHUOHQRPEUHRXODWDLOOHGHVUDLGLVVHXUV

,QIOXHQFHGHVUHQIRUWVORQJLWXGLQDX[

/HVOLVVHV UHQIRUWVORQJLWXGLQDX[ RQWXQU{OHSUpSRQGpUDQWGDQVODVWDELOLWpGHOD SRUWLRQGHIXVHODJHpWXGLpH/HXUSRVLWLRQOHXUQRPEUHDLQVLTXHOHXUJpRPpWULHGRLW rWUH GpWHUPLQpH DYHF SUpFLVLRQ DILQ G¶REWHQLU XQH FRQFHSWLRQ j OD IRLV OpJqUH HW UpVLVWDQWHDXIODPEDJH

3DUDPqWUHVGHYDULDWLRQGHVOLVVHV

 /H SURILO GHV OLVVHV HVW GpILQL SDU XQH JpRPpWULH HQ ȍ UHSUpVHQWpH SDU  SDUDPqWUHVSDUDPqWUHVGHORQJXHXUVQRWpV//HW/HWXQSDUDPqWUHG¶DQJOH QRWpĮ

 )LJXUHGéométrie des lisses



 $ILQGHOLPLWHUOHQRPEUHGHSDUDPqWUHVODGLVSRVLWLRQGHVOLVVHVHVWGpILQLH FRPPH VXLW TXDWUH ]RQHV GH IXVHODJH VRQW GpWHUPLQpHV OD SDUWLH KDXWH OD SDUWLH

(6)

&RQFHSWLRQRSWLPDOHG¶XQIXVHODJHFRPSRVLWH EDVVHHWGHX[]RQHVLQWHUPpGLDLUHV/HSDVHQWUHOHVOLVVHVGDQVFKDFXQHGHFHV]RQHV HVW FRQVWDQW $LQVL OH QRPEUH GH SDUDPqWUHV GpILQLVVDQW j OD IRLV OH QRPEUH HW OD SRVLWLRQGHVUDLGLVVHXUVHVWOLPLWpjTXDWUH111HW1



 )LJXUHDéfinition des zones de distribution des lisses

 3DUPL FHV KXLW SDUDPqWUHV XQ VHXO LQIOXHQFH IDLEOHPHQW OpYROXWLRQ GH OD PDVVHGHODVWUXFWXUHO¶DQJOHĮ&HWWHSDUWLFXODULWpSHUPHWGHGpWHUPLQHUIDFLOHPHQW OHV]RQHVTXLQpFHVVLWHQWOHSOXVJUDQGQRPEUHGHUHQIRUWV(QHIIHWLOVXIILWGHIL[HU WRXV OHV SDUDPqWUHV HW GH UpDOLVHU XQH pWXGH G¶LQIOXHQFH GH O¶DQJOH VXU OD FKDUJH FULWLTXHSRXUGpWHUPLQHUOHV]RQHVVRXPLVHVDXIODPEDJHSRXUXQHPDVVHFRQVWDQWH 'HSOXVLODSSDUDvWTXHOHVPHLOOHXUVUpVXOWDWVVRQWREWHQXVORUVTXHO¶DQJOHGLPLQXH (Q IDLW FHFL j SRXU HIIHW G¶DXJPHQWHU OD KDXWHXU GHV OLVVHV HW SDU FRQVpTXHQW OH PRGXOHG¶LQHUWLHDVVRFLp$SULRULODORQJXHXU/MRXHUDGRQFXQU{OHSUpSRQGpUDQW GDQVODULJLGLILFDWLRQGHODVWUXFWXUH                  0DVVH &KD UJH F UL WL TXH  )LJXUHCharge critique en fonction de la masse pour différents jeux de

paramètres

(7)

5HYXH9ROXPH;±Qƒ[DQQpH

 $ILQGHYpULILHUFHVK\SRWKqVHVXQHpWXGHSDUDPpWULTXHHVWPHQpHSRUWDQW VXU OHV  SDUDPqWUHV /D ILJXUH  SUpVHQWH OHV UpVXOWDWV REWHQXV /D VpULH EOHXH UHSUpVHQWH OHV UpVXOWDWV REWHQXV SRXU GHV FRQFHSWLRQV XWLOLVDQW GHV KDXWHXUV GH UDLGLVVHXUV PLQLPDOHV WDQGLV TXH OD VpULH MDXQH FRQFHUQH GHV OLVVHV D\DQW XQH SOXV JUDQGHKDXWHXU/



3RXU FKRLVLU OD PHLOOHXUH FRQFHSWLRQ LO VXIILW GH GpWHUPLQHU OD FKDUJH FULWLTXH GpVLUpH HW XWLOLVHU OD FRQILJXUDWLRQ GH PDVVH PLQLPDOH FRUUHVSRQGDQWH /HV SRLQWV URVHVGHODILJXUHHQVRQWO¶LOOXVWUDWLRQ/HVUpVXOWDWVPRQWUHQWTX¶LOHVWSUpIpUDEOH G¶DXJPHQWHUODKDXWHXUGHVUDLGLVVHXUVDYDQWG¶HQDXJPHQWHUOHQRPEUH

&RQFOXVLRQ

 /D FRQFHSWLRQ GH VWUXFWXUHV DpURQDXWLTXHV HQWLqUHPHQW HQ PDWpULDX[ FRPSRVLWHV SURSRVH GH QRXYHOOHV RSSRUWXQLWpV PDLV VRXOqYH DXVVL GH QRXYHDX[ SUREOqPHV /HV SRVVLELOLWpV RIIHUWHV SDU OHV VWUDWLILpV RQW SHUPLV GH GpWHUPLQHU FHUWDLQV GHV SDUDPqWUHV OHV SOXV LQIOXHQWV (Q SDUWLFXOLHU LO D pWp REVHUYp TX¶XQH DPpOLRUDWLRQGHODJpRPpWULHGHVUDLGLVVHXUVHVWPRLQVRQpUHXVHHQWHUPHVGHSRLGV TXHOHXUPXOWLSOLFDWLRQ&HVSUHPLHUVUpVXOWDWVSRXUURQVrWUHXWLOLVpVDILQG¶DPpOLRUHU HQFRUHFHW\SHGHVWUXFWXUH

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