Méthodologie de calcul et de design au flambement local de structures sandwichs pour avion léger

Cette thèse est le fruit d’une collaboration entre l’Institut Clément Ader et l’Entreprise Elixir Aircraft. Elixir Aircraft est un avionneur qui développe et produit « l’Elixir » un avion biplace de nouvelle génération majoritairement composé de structures sandwichs en carbone produites avec la technique de fabrication « one shot ». L’utilisation massive de ces structures sandwichs monobloc dans « l’Elixir » présente des difficultés de dimensionnement. La nature des sandwichs composites crée un comportement mécanique complexe, et les techniques de dimensionnement classiques via des critères de rupture statique sont mise en défaut. Le flambement local appelé « Wrinkling » est une instabilité à l’échelle locale, sous la forme de courtes longueurs d'onde dans les peaux, qui apparait lorsque qu’une structure sandwich est soumise à de la compression. Le phénomène de Wrinkling est étudié depuis les années 40, et depuis nombre de modèles analytiques permettant le calcul de charges critiques au flambement ont été développées. Cependant, l’application de ces modèles dans un cadre industriel reste peu étudiée. Les formulations historiques basées sous des hypothèses fortement restrictives, loin de la réalité mécanique des structures sandwich récentes, sont toujours utlisées dans l’industrie aéronautique ce qui améne à l’utilisation de forts coefficients de sécurité et des surcroit en masse non-négligeable dans l’avion. Cette thèse a donc pour objectif de développer une méthodologie de calcul et de design de structures sandwich du type de celles d’Elixir Aircraft avec la prise en compte des risques d’instabilités locales dans une démarche de type pyramide des essais.La démarche scientifique se divise en 2 étapes. Premièrement, on se place à la base de la pyramide des essais, à l’échelle coupon. Le but est de quantifier les limites et pertinence des modèles analytiques dans une application industrielle. Cela via une analyse numérique où un benchmark est développé. Les modèles analytiques de wrinkling sont comparés à un modèle éléments finis 3D de références. La pertinence de certains modèles est mise en évidence et ils sont utilisés pour un dialogue essais/calculs. Une campagne d’essais sur des éprouvettes sandwich coupons soumises à un effort de compression uniaxial est réalisée. La rupture par wrinkling est bien observée. La corrélation des modèles avec les essais est correcte, mais optimiste à cause des conditions aux limites qui générent des biais et déclenchent le flambement prématurément. La volonté de s’affranchir des biais observés à l’échelle coupon ainsi que la représentativité limitée de ce niveau d’essais a conduit à réaliser des études au deuxième niveau de la pyramide des essais, échelle dite « technologique ». Cette échelle du panneau permet d’ajouter des éléments technologiques typiques des structures réelles afin d'étudier leur influence et permet aussi de travailler sous chargement multiaxial. On se rapproche d'une application industrielle réelle. Ainsi, un nouveau dialogue essais/calculs est réalisé, via une campagne d’essais sur des plaques sandwich 400 × 400 mm testés en compression et en cisaillement sur le banc d’essai VERTEX. Instrumentées par de la mesure de champs (corrélation d’images stéréo, caméra thermique, caméra rapide), le design particulier des éprouvettes est mis en avant. La rupture par wrinkling est observée dans les panneaux sandwich. La corrélation avec les modèles analytiques puis éléments finis avancés (non-linéaire géométrique et endommagement de l’âme), offre des conclusions intéressantes quant à la pertinence des modèles dans un cadre proche d’une application industrielle.