TD - Notions de conception de section de raidisseur en composite Sébastien Crouzet – Airbus

AGENDA CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL LONGERON AVANT DESCRIPTION SOLLICITATIONS & MODELISATIONS Cas de crash Modélisation poutre Modélisation éléments finis Sollicitations de la section CARACTERISTIQUES 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 AUTRES FORMES DE RAIDISSEURS REALISATION INDUSTRIELLE ANNEXES

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL Typical Fuselage Pax. Floor Gear Bay (s) Pressure Bulkhead Centre Wing Box Belly Fairing: If necessary

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL Centre Box/Floor connection must be optimized Centre Box/Fuselage connection must be optimized in this area

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL FLEXION DE L’AILE / CISAILLEMENT VERTICAL Aerodynamic loads Wing Shear Forces: Aero Loads - Wing Weight Wing Deflection Wing Deflection Wing Bending Moment Forces due to Wing Bending Moment Engine Lateral Loads due to Wing deflection

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL Wing Aero Loads HTP Loads Front Fuselage Weight Rear Fuselage Weight

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL Wing Aero Loads HTP Loads Fuselage compression Belly fairing loaded by Deflection Compatibility Front Fuselage Weight Rear Fuselage Weight

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL T(R) / T(F) Difference Tension due to BM(F) = T(F) Tension due to BM(R) =T(R) High Sheared Area Rear fuselage bending moment BM(R) Front fuselage bending moment BM(F) Wing Torsion Compression due to BM(F)= C(F) Compression due to BM(R) = C(R) High Sheared Area C(R) / C(F) Difference

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL CAISSON CENTRAL DE VOILURE Note: MLG Side Stay attached to Wing Rear Spar Belly Fairing Free floor structure support in “X” direction Centre Box Front pressure bulkhead integrated to F/S Rear pressure bulkhead Keel Beam connected to centre Box Lower Panel: Distance between Action/Reaction reduction

1. DESCRIPTION DU FUSELAGE CENTRAL CAISSON CENTRAL DE VOILURE Front Spar Centre Spar Upper Beams Rear Spar Strutted Rib concepts selected for A320 is used Lower Beams

2. LONGERON AVANT DESCRIPTION Panneau Raidisseurs (raid. Horizontaux & verticaux) Reprises bielles Raidisseur verticaux externes & internes Raidisseur verticaux externes

2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS Cas de crash : cas dimensionnant Remarque: cas de crash uniquement si le caisson central est pétrolisé 500 1500 Cas de crash: pression carburant ( ex: 40PSI  0.28MPa) Maille raidisseur Hypothèses: valeurs numériques données sur cette planche seront utilisés pour les calculs ultérieurs Raid I-1 Raid i Raid i+1

2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS Modélisation poutre Modélisation : encastrement Modélisation : effort ponctuel Modélisation : encastrement Modélisation : effort reparti

2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS Modélisation poutre Exercice: Par rapport aux efforts, comment obtenir les moment de flexion et effort tranchant? Cas de crash: pression carburant ( ex: 45PSI  0.315MPa)

2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS Modélisation poutre B B x2 Cas de crash: pression carburant ( ex: 45PSI  0.315MPa) L C F C P=p*L x1 A A De A à C : De B à C : De A à B : La somme des 2 cas donne :

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

2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS 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

2. LONGERON AVANT SOLLICITATIONS & MODELISATIONS Sollicitation de la section 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° Talon Effort normal Ame Semelle Cisaillement 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

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION Orientation des plis Composite 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

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION Contraintes design Environnement : présence d’élément Système limitant la hauteur de la section à 80mm Fixation : diam 7.9 Forme de la section : 80mm

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION 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

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION Calcul de l’epsilon dans le talon et la semelle du montant  Epsilon sont OK 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)

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION 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

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION 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 Plis communs Plis communs IMPOSSIBLE

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION 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 6 50

2. LONGERON AVANT CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE LA SECTION 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

3. REALISATION INDUSTRIELLE 2 principales technologies permettent d’obtenir ce type de raidisseur: Pre-preg Fibres pré - imprégnées avec Résine Important volume de fibres 60% -65% Epaisseurs des plis 0.125mm, 0.19mm, 0.25mm and 0.35mm RTM Outillage 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 Lay up ‘wet’ fibres over mould Cover with release film etc Cure in autoclave

3. REALISATION INDUSTRIELLE PRE-PREG 1 Process de pre-preg Co-Cure Composant 1 : « frais » Composant 2 : « frais »  Cuisson ensemble (au final : 1 seule réelle pièce) Co-Bond Composant 1 : « cuit »  Composants collés ensemble pendant le cycle de cuisson du composant 2 Secondary Bonding Composant 2 : « cuit »  Composants collés ensemble par des opérations de collage séparées 2 1 Adhésif 2 1 Adhésif 2

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 MPa Module d’Young (sens travers): 5000 MPa Coef. de Poisson: 0.35 Module 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