Crash de structures composites et absorption d'énergie - Application aux sièges aéronautiques

Crash of Composite Structures and Energy Absorption for Aircraft Seats Development

• Auteur / Autrice : Jean-Emmanuel Chambe
• Direction : Christophe Bouvet, Jean-François Ferrero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 10/07/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Pascal Casari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bouvet, Jean-François Ferrero, Pascal Casari, Benoit Vieille, Olivier Dorival, Daniel Coutellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Casari, Benoit Vieille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique -- Mesures de sécurité

Aéronautique

Mots clés libres

Crash

Crushing

Composite tubes

Energy dissipation

Specific Energy Absorption

Aeronautics

Passenger safety

Crash

Compression

Tubes composites

Dissipation d'énergie

Absorption d'énergie spécifique

Aéronautique

Sécurité des passagers

Résumé

Dans l’optique de la conception et du développement d’un siège aéronautique et afin derespecter la règlementation sécuritaire en vigueur, la structure du siège développé doitpermettre une dissipation rapide de l’énergie perçue en cas de crash aérien (Fig. 1), ceci dansle but de protéger les passagers. La majorité des systèmes intégrés à la structure des sièges etpermettant cette absorption d’énergie (Fig. 2) est constituée de composants métalliques qui sedéforment plastiquement pour dissiper l’énergie due au crash. Actuellement, l’industrie et larecherche se tournent vers les matériaux composites pour substituer de tels systèmes.Cependant le comportement de ces matériaux lors de sollicitations mécaniques sévères estfortement différent des matériaux métalliques, notamment dû au fait que les mécanismesd’endommagement sont très distincts.Le but de cette étude portant sur des structures tubulaires composites est d’évaluer leurcapacité à dissiper l’énergie. A cette fin, différentes stratifications ont été testées encompression (Fig. 3 et 4) dans le but de déterminer leur comportement, comparer leurspropriétés et calculer leurs valeurs de SEA (absorption d'énergie spécifique, en kJ.kg-1)servant à évaluer leur aptitude à dissiper l’énergie engendrée en cas de crash. Ces dernièressont issues des courbes effort-déplacement obtenues lors des essais d’écrasement (Fig. 5). Lesdifférents essais de compression ont été instrumentés et suivis au moyen de caméras rapides etdes images post-essais ont été réalisées par tomographie pour comprendre les mécanismesd’endommagement mis en jeu (Fig. 4 et 6). Ces essais ont été réalisés à vitesse de chargementquasi-statique puis dynamique et selon diverses conditions limites. Les différents résultats decomportement en compression sont également utilisés dans le but de construire et enrichir unmodèle de calcul par éléments finis (Fig. 7 et 8) permettant de simuler la réponse de structurescomposites de différentes natures soumises au crash en intégrant la géométrie et lacomposition de la structure (Fig. 8).L’objectif de ce travail de recherche est ainsi d’évaluer l’énergie pouvant être dissipée par desstructures tubulaires composites, de comparer les absorptions induites par des structurescomposites de compositions différentes, et/ou bi-matériaux, et enfin de fournir un modèleéléments finis représentant le comportement de structures composites en compression jusqu’àl’endommagement et la ruine de la structure.Il a ainsi été établi qu’en chargement statique, un stratifié unidirectionnel orienté à 0° etstabilisé par des plis de tissus répond fortement aux attentes en terme de dissipation d’énergie,mais pas en sollicitation dynamique. Dans ce cas, une stratification à 90° semble plusadéquate. D’autre part, un confinement forcé vers l’intérieur est avantageux dans la plupartdes cas, réduisant le pic d’effort initial sans diminuer drastiquement la valeur de SEA.

With the perspective of the design and development of an aircraft seat and in order to respectthe safety regulations in effect, the structure of the developed seat must allow for a swiftdissipation of the energy received in the event of an aircraft crash (Fig. 1) so as to protect thepassengers. The majority of systems integrated into the seats structure and allowing energydissipation (Fig. 2) consists of metal components that sustain plastic deformation to dissipatethe energy induced by the crash. Currently, industry and research sectors are turning theirfocus towards composite materials to substitute such systems. However, the behavior of thesematerials during severe mechanical stress is strongly different from metallic materials, inparticular due to the fact that damage mechanisms are very distinct.The purpose of this study on composite tubular structures is to evaluate their ability todissipate the energy. To this end, different laminate structures were tested in compression(Fig. 3 and 4) in order to identify their behavior, compare their properties and calculate theirSEA value (Specific Energy Absorption, in kJ.kg-1) used to evaluate their capacity to dissipatethe energy generated during a crash. Those are resulting from the load-displacement curvesobtained during the crushing tests (Fig. 5). The various compression tests were instrumentedand monitored by means of rapid imaging cameras and post-crushing tomographic imaginghas been realized in order to understand the damage mechanisms involved (Fig. 4 and 6).Testing has been carried out under quasi-static and dynamic loading and using severalboundary conditions. The different results of compression and crushing behavior are also usedin order to build and improve a finite element calculation model (Fig. 7 and 8) allowing tosimulate the response of composite structures of different natures subjected to crash byintegrating the geometry and the composition of the structure (Fig. 8).The objective of this research work is thus to evaluate the energy that can be dissipated bycomposite tubular structures, to compare the absorption values induced by compositestructures of different compositions, and/or bi-materials, and, finally, to provide a finiteelement model representing the behavior of composite structure submitted to compressionuntil damage and fracture of the structure.It has consequently been established that in static loading, a unidirectional laminate orientedat 0° and stabilized by woven plies strongly meets the expectations in terms of energydissipation, but that is not the case in dynamic loading. In this case, a 90° stratification seemsmore adequate. Incidentally, an inner constrained containment is more effective in most cases,reducing the initial peak load without drastically reducing the SEA value.