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  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    CARACTRISATION DE MATRIAUX COMPOSITES STRUCTURE SANDWICH

    COMPORTANT DES MODIFICATIONS

    MATTHIEU SOLA

    DPARTEMENT DE GNIE MCANIQUE

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    MMOIRE PRSENT EN VUE DE LOBTENTION

    DU DIPLME DE MATRISE S SCIENCES APPLIQUES

    (GNIE MCANIQUE)

    AVRIL 2011

    Matthieu Sola, 2011.

  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    Ce mmoire intitul:

    CARACTRISATION DE MATRIAUX COMPOSITES STRUCTURE SANDWICH

    COMPORTANT DES MODIFICATIONS

    prsent par: SOLA Matthieu

    en vue de l'obtention du diplme de: Matrise s sciences appliques

    a t dment accept par le jury d'examen constitu de:

    M. BOUKHILI Rachid, Ph.D., prsident

    Mme ROSS Annie, Ph.D., membre et directrice de recherche

    M. TIENNE Stphane, Ph.D., membre

  • iii

    DDICACE

    Elaine

    Martine et Caesar, Samuel et Laurence

    Tata Louisette, Mamy et la mmoire de Papy

    Un deiz 'teuio en-dro an avel c'hlas

    Da anala va c'halon c'hloaz't

    Kaset e vin diouzh e alan

    Pell gant ar red, hervez 'deus c'hoant

    (Denez Prigent)

    Un jour reviendra le vent vert

    Il emportera avec lui mon cur bless

    Je serais emport, grce son souffle

    Loin dans le courant, selon son dsir

  • iv

    REMERCIEMENTS

    Je voudrais tout dabord remercier les Professeurs Annie Ross et Edu Ruiz pour mavoir accept

    en matrise et pour mavoir guid et soutenu au cours de mes recherches. Jai beaucoup appris

    leurs cts, que ce soit au niveau universitaire ou au niveau humain. Je remercie galement

    Rachid Boukhili pour avoir accept de prsider ce jury et Stphane tienne pour avoir accept

    den tre membre

    Cette matrise naurait pas t possible sans le soutien des partenaires industriels : Bell

    Hlicoptre Textron, Bombardier, le Centre de dveloppement des composites du Qubec,

    ARTEC Technologies, Pratt & Whitney Canada, lUniversit de Sherbrooke et le Consortium de

    recherche et dinnovation en arospatiale au Qubec. Je remercie particulirement Daniel Poirier

    et ses collgues du CDCQ pour les essais quils mont permis de raliser dans leurs laboratoires.

    Je voudrais exprimer toute ma gratitude aux anciens tudiants et collgues du projet qui ont

    permis au projet den arriver jusque l : Marc-Andr Jett, Genevive Deshaies, Jrmie Harnois,

    Felix Dinguiguian-Bednar, Felix Miron, Youn Eury et Jean-Franois Belleau. Je remercie aussi

    Edith Roland Fotsing pour mavoir conseill, aid et support. Une salutation spciale mon

    centre prfr Jol Chamberland-Lauzon qui sait toujours me sortir des pires situations en restant

    ouvert et disponible. Jespre que mon cheminement professionnel se fera autant que possible

    ses cts. Une mention spciale mes premiers partenaires de bureau Robin Dub et Jean-

    Franois Dsilets qui mont beaucoup aid dans mes dbuts au CCHP. Il mest impossible

    doublier de remercier mes partenaires actuels Farida Bensadoun et Amir Ershad Fanaei pour les

    franches rigolades et les conseils quils continuent de me donner.

    Finalement, un grand remerciement toute lquipe du CCHP pour leur soutien moral et pour les

    conseils prodigus au long de la rdaction. Jaimerais remercier les techniciens du CCHP, M.

    Christian-Charles Master tech Martel et M. Alexandre Bourgeois, pour mavoir fourni un

    excellent soutien technique au long du projet.

  • v

    RSUM

    Les modifications de structures sandwichs sont courantes dans lindustrie aronautique. Ce projet

    sest concentr sur ltude des proprits mcaniques de structures sandwichs ayant subit des

    modifications de trois natures diffrentes. Tout dabord les proprits de poutres sandwichs avec

    un noyau en nid dabeille ont t analyses lorsque des discontinuits sont prsentes dans le

    noyau. Ces discontinuits ont lieu lorsque deux pices distinctes de nid dabeille sont utilises

    bout bout pour former le noyau dun mme sandwich. Elles peuvent se retrouver lors de la

    fabrication de grandes pices mais leur impact sur les proprits en flexion est peu connu. Deux

    configurations ont t tudies : des discontinuits sans espacement et avec 2 mm despacement.

    Des essais de flexion quatre points ont t raliss afin dtudier le comportement de telles

    poutres lorsque la discontinuit est situe dans la zone en cisaillement. Pour les discontinuits

    tudies, les modifications sur la rigidit sont ngligeables et le mode de rupture des poutres est

    inchang. Cependant, la rsistance en flexion est lgrement plus faible. Par la suite, des

    panneaux chanfreins comportant des discontinuits ont t tests en flexion quatre points et des

    comportements similaires ont t observs. La rigidit des structures nest pas modifie pour de

    petits dfauts ou pour des dfauts de grande taille si ces derniers sont peu nombreux. La rupture

    se produit sur le chanfrein pour tous les panneaux. La rigidit dun panneau comportant de

    nombreuses discontinuits de grandes tailles est plus faible et la rupture se produit un

    chargement moins lev.

    La seconde modification tudie consiste en lintgration dun matriau viscolastique dans les

    peaux de poutres sandwichs. Ce type de traitement est frquemment utilis dans lindustrie pour

    amortir les vibrations des matriaux composites mais peu dtudes traitent de leur impact sur les

    proprits mcaniques. Tout dabord, le module dYoung des peaux est investigu puis compar

    des peaux intgrant des matriaux viscolastiques. On constate que linsertion de matriau

    viscolastique dans les peaux ne modifie pas le module dYoung des peaux. Par la suite, des

    poutres sandwichs comportant des inserts dans les peaux sont testes en flexion trois points. La

    position longitudinale des inserts est diffrente pour chaque poutre. Deux modes de rupture ont

    t observs en fonction de la position des inserts. Lorsque les inserts sont placs sous le poinon

    de chargement, la peau suprieure subit une compression et le noyau rompt en compression. Dans

    tous les autres cas, la dfaillance se produit par une rupture en cisaillement du noyau. La rigidit

    des poutres ainsi que leur rsistance sont trs peu altres par la prsence des inserts. La position

  • vi

    de la rupture nest pas dpendante de la position des inserts viscolastiques. Par contre, la charge

    maximale la rupture tend tre plus faible lorsque les inserts sont placs prs du poinon de

    chargement. Ceci est expliqu par ltat de chargement complexe que subit la peau suprieure.

    Une dernire tude vise observer les modifications que subissent les matriaux viscolastiques

    lorsquils sont soumis des conditions de mise en forme courantes dans lindustrie, notamment

    lors de leur insertion dans les lamins. Deux types de matriaux sont analyss selon leur module

    de cisaillement et leur facteur de perte sur une plage de frquence de 1 600 Hz. Un premier

    matriau est un adhsif acrylique, dont la temprature de transition vitreuse est prs de la

    temprature ambiante et le second est un viscolastique base de silicone dont la temprature de

    transition vitreuse est plus basse que la temprature ambiante. Le comportement dynamique des

    deux matriaux est diffrent aprs cuisson en autoclave : le matriau silicon ne subit aucun

    changement alors que ladhsif acrylique subit une augmentation de sa rigidit ainsi quune

    baisse de son facteur de perte. Aprs cocuisson, le matriau silicon est encore inchang et

    ladhsif acrylique subit un changement de proprits encore plus important quune simple

    cuisson. Il apparat en conclusion que ces deux matriaux offrent des proprits qui peuvent

    convenir diffrents types dutilisation.

    Finalement, les modifications de structures composites sandwichs tudies ont peu dimpact sur

    les proprits en flexion des structures, mais les chargements localiss peuvent causer des

    dommages important. Dun autre ct, la connaissance des proprits des matriaux

    viscolastiques aprs la mise en forme est primordiale pour la conception de systmes

    amortissants intgrs dans les matriaux composites.

    Mots cls : Composites, nid dabeille, primprgns, flexion 3 points, flexion 4 points, autoclave,

    proprits mcaniques, amortissement

  • vii

    ABSTRACT

    Modifications of sandwich structures are fairly common in the aeronautic industry. This project

    focused on the study of mechanical properties of sandwich structures that underwent

    modifications. First, properties of sandwich beams with discontinuities in the honeycomb core

    were analyzed. Those discontinuities can be found in the manufacturing of large parts but their

    impact on flexural properties is not well documented. Two sizes of discontinuities have been

    studied: discontinuities without a gap and with a 2 mm gap. Four point bending tests were carried

    out in order to study the behaviour of such beams when the discontinuity is located in the

    shearing area. For small discontinuities, the change in stiffness is negligible and the failure mode

    is unchanged. However the flexural strength is lower. Chamfered panels with discontinuities in

    the core were also tested in four point bending and similar behaviour was observed. The

    structural stiffness is unchanged for discontinuities without a gap and for discontinuities with a

    gap as long as there are only a few. Failure occurs on the chamfer for all panels. The stiffness and

    flexural strength are lower for a panel with many gap discontinuities than f