Prédiction de l'endommagement dans les structures composites généré par la contrainte foudre de surface

par Audrey Bigand

Projet de thèse en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Christine Espinosa et de Jean-Marc Bauchire.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse) , en partenariat avec ICA - Institut Clément Ader (laboratoire) et de MS2M - Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques (equipe de recherche) depuis le 03-10-2016 .


  • Résumé

    L'industrie aéronautique utilise de plus en plus largement les matériaux composites pour concevoir les aéro-structures grâce à leurs opportunités en termes de gain de masse et de maintenance. Mais la faible conductivité électrique de ces structures les rend plus fragiles vis-à-vis des coups de foudre. Afin d'assurer la sécurité du vol et la disponibilité d'une flotte commerciale, il est primordial de limiter l'endommagement suite à un foudroiement. La technique classique repose sur l'ajout d'un film de protection conducteur en surface, souvent un grillage métallique qui permet une meilleure évacuation du courant. Malgré cela, la capacité actuelle des industriels à anticiper les performances des structures composites grâce à des modèles appropriés est limitée. Le recours à des essais exploratoires tout d'abord pour affiner une conception, puis pour certifier un nouveau produit reste la règle. Le besoin de tendre vers une conception optimale pousse le monde aéronautique à développer une capacité de prédiction des endommagements, et de contrôle de l'effet des paramètres impliqués. Le but est de pouvoir répondre aux besoins du concepteur sans passer par l'étape coûteuse et chronophage que peut représenter une campagne d'essais d'investigation. Plusieurs études ont été menées afin de comprendre le phénomène mais aussi tenter de le modéliser. La phénoménologie associée à l'endommagement en tant qu'effet direct du choc foudre ne peut se réduire à un problème électromagnétique. L'aspect multi-physique du phénomène (électrique, thermique et mécanique) et la multitude de paramètres impliqués (stratifié de carbone, grillage métallique, peinture, résine…) rendent le problème complexe [1]. Plusieurs forces ou contraintes sont à considérer : l'onde de choc associée à l'arc, les forces de Laplace et l'effet Joule induit par le courant circulant dans le matériau, le chargement thermique du plasma mais aussi l'explosion de la protection foudre confinée par la couche de peinture [1]. L'interaction de ces phénomènes de surface avec la structure composite à protéger est par ailleurs mal comprise. Parmi les modèles thermo-électriques les plus répandus [2], les plus avancés dans la représentation multi-physique démontrent que la composante mécanique doit être considérée pour corréler l'endommagement physique d'un panneau composite avec la nature multiple des contraintes induites par un impact foudre [3]. Les premiers travaux menés au laboratoire ICA montrent que dans certaines configurations de protection de surface, l'étendue des dommages induits dans la structure composite peut même être prédite avec une précision raisonnable par un modèle mécanique seul dans lequel la complexité des phénomènes de surface est représentée par une pression surfacique réputée équivalente [4]. Les travaux ont également révélé le rôle particulier de la peinture déjà identifié dans des travaux précédents [5], et le fait que les interactions entre les phénomènes de surface et la structure composite modifient l'étendue finale des délaminages et surtout leur distribution sous la protection. Il est par conséquent primordial de comprendre et modéliser les interactions entre les phénomènes de surface et la structure composite. La difficulté du développement des modèles est en partie liée à l'accès à l'expérimentation pour valider les hypothèses sous-jacentes. Les laboratoires foudre disposant de l'instrumentation nécessaire sont peu nombreux et la mise en place d'essais est coûteuse. En effet, la dynamique d'évolution, grande et rapide, tant thermique que mécanique, des éléments en jeu requiert une caractérisation individuelle très spécifique, difficilement accessible par des moyens conventionnels. Le projet concerne le développement d'une capacité de prédiction des endommagements induits par les contraintes foudre sur les structures composites monolithiques. Il s'inscrit dans un projet de recherche national (EDIFISS : Effets Directs de la Foudre et Impact sur les Structures et les Systèmes) [6] lancé en coopération avec des partenaires industriels (Dassault, Airbus, Airbus Group Innovations, Airbus Helicopters, Aircelle & Herakles) et l'ONERA. Il est complémentaire de travaux développés par l'ISAE-SUPAERO/ICA sur l'évaluation des dommages générés dans les structures composites par un choc mécanique équivalent [7]. Il vise à améliorer la compréhension du rôle des paramètres de conception de la protection sur les phénomènes multiphysiques de surface, et notamment sur les échanges et interactions entre les composantes électrothermiques d'une part, et mécanique d'autre part du chargement appliqué à la structure. La première étape consistera à choisir un jeu de paramètres contributeurs parmi ceux connus, puis à les classer par ordre d'effet a priori pour définir de manière hiérarchisée les besoins de caractérisations élémentaires électriques, thermiques et mécaniques. Ce travail reposera en premier lieu sur une analyse fine de la bibliographie, et des résultats de campagnes d'essais existantes. Des protocoles d'essais spécifiques seront proposés, particulièrement pour la peinture dont l'effet est prouvé comme étant de premier ordre. La ou les caractéristiques physiques des peintures qui contribuent à la sévérité de l'endommagement ne sont pas connues.. Une étude préliminaire permettra de définir le plan d'expérimentation nécessaire à la caractérisation des propriétés mécaniques et thermiques significatives. A l'issue de cette première partie, une première liste de paramètres et de poids relatifs sur la distribution des dommages sera établie. Dans un deuxième temps, un modèle physique plus élaboré sera développé en utilisant un code de calcul à couplage fort. Ce modèle reposera sur deux briques théoriques essentielles : la première évaluant la sollicitation induite en surface au pied d'arc, et la deuxième décrivant les mécanismes physiques d'endommagement résultant de cette sollicitation. Les outils numériques commerciaux permettant de simuler un couplage magnéto-électro-thermo-mécanique fort seront évalués préalablement sur la base de critères qualitatifs et quantitatifs qui feront l'objet d'une étude spécifique. Finalement, une campagne d'essais foudre sur des panneaux industriels sera conduite. Son objectif sera de valider au niveau macroscopique les hypothèses retenues pour les modèles physiques et d'en déterminer les limites. Un des points clé de ce projet est l'intégration d'un modèle d'arc ou de pied d'arc, dont l'interaction avec la structure sous-jacente pendant l'impact influe notoirement sur le développement des contraintes. La prise en compte de l'arc foudre sous-entend la simulation d'un milieu fluide, à forts gradients thermiques, à fort rayonnement et aux propriétés électromagnétiques proches de celle d'un conducteur [8-9]. Cette approche élargit de façon notable le champ disciplinaire de cette thèse, de la mécanique des structures à la magnétohydrodynamique des plasmas. La conclusion de ce projet sera la formulation du cadre théorique complet, indispensable au développement d'un outil industriel d'aide à la conception, associé à un domaine d'usage précisément détouré, et aux perspectives d'évolution vers des structures encore plus complexes comme les structures dites en « nid d'abeille ».

  • Titre traduit

    Prediction of damage in composite due to lightning surface constraints


  • Résumé

    Aircraft manufacturers use more and more composite materials to design aerospace structures for weight and maintenance saving opportunities. But the low electrical conductivity of these structures makes them more fragile with lightning strikes. In order to ensure the safety of the flight and the operability of a commercial fleet, it is essential to limit the damage caused by a lightning strike. The conventional technique is based on the addition of a conductive protective film on the surface, often a metallic mesh that allows a better evacuation of the current. Despite this, the current ability of manufacturers to anticipate the performance of composite structures through appropriate models is limited. The use of tests first to refine a design and then to certify a new product remains the rule. The push for optimal designs forces the aeronautical world to develop an ability to predict damage, and to control the effect of the parameters involved. The goal is to be able to meet the needs of the designer without going through the expensive and time-consuming stage that an investigative testing campaign can represent. Several studies have been carried out to understand the phenomenon but also to try to model it. The phenomenology associated to damage as a direct effect of lightning strike can not be reduced to an electromagnetic problem. The multi-physical aspect of the phenomenon (electrical, thermal and mechanical) and the multitude of parameters involved (carbon laminate, metal mesh, paint, resin, etc.) make the problem complex [1]. Several forces or constraints are to be considered: the shock wave associated with the arc, the Laplace forces and the Joule effect induced by the current flowing in the material, the thermal loading of the plasma but also the explosion of the protection confined by the paint layer [1]. The interaction of these surface phenomena with the composite structure to be protected is also poorly understood. Among the most developped thermoelectric models [2], the most advanced in multiphysical representation demonstrate that the mechanical component must be considered to correlate the physical damage of a composite panel with the multiple nature of the stresses induced by a lightning impact [3]. Initial work at the ICA laboratory shows that in some surface protection configurations the extent of damage induced in the composite structure can even be predicted with reasonable accuracy by a mechanical model alone in which the complexity of the surface phenomena is represented by a surface pressure deemed equivalent [4]. The work has also revealed the particular role of the paint already identified in previous works [5], and the fact that the interactions between surface phenomena and composite structure modify the final extent of delaminations and especially their distribution under protection . It is therefore essential to understand and model the interactions between surface phenomena and the composite structure. The difficulty of model development is partly related to the access of data during experimentation to validate the underlying assumptions. The lightning laboratories with the necessary instrumentation are few and the installation of tests is expensive. Indeed, the large and rapid dynamic, both thermal and mechanical, of the elements involved require a very specific individual characterization, difficult to access by conventional means. The project concerns the development of an ability to predict the damage induced by lightning stresses on monolithic composite structures. It is part of a national research project (EDIFISS: Effets Directs de la Foudre et Impact sur les Structures et les Systèmes) [6] launched in cooperation with industrial partners (Dassault, Airbus, Airbus Group Innovations, Airbus Helicopters, Aircelle & Herakles) and ONERA. It is complementary to work developed by ISAE-SUPAERO / ICA on the evaluation of damage generated in composite structures by equivalent mechanical shock [7]. It aims to improve the understanding of the role of protection design parameters on multiphysical surface phenomena and in particular on the exchanges and interactions between the electrothermal components on the one hand and the mechanical load on the other hand applied to the structure . The first step consists in choosing a set of contributing parameters among the known ones and then classifying them in order to define the need for basic electrical, thermal and mechanical characterizations. This work will, in the first place, be based on a detailed analysis of the bibliography and the results of existing test campaigns. Specific test protocols will be proposed, especially for paint whose effect is proven to be of the first order. The physical characteristics of the paints which contribute to the severity of the damage are not known. A preliminary study will define the experimental plan necessary to characterize the significant mechanical and thermal properties. At the end of this first part, a first list of parameters and relative weights on the distribution of damage will be established. In a second step, a more elaborate physical model will be developed using a strongly coupled computation code. This model will be based on two essential theoretical bricks: the first evaluating the induced stress at the foot of the arc and the second describing the physical mechanisms of damage resulting from this solicitation. The commercial numerical tools allowing to simulate a strong magneto-electro-thermo-mechanical coupling will be evaluated beforehand on the basis of qualitative and quantitative criteria which will be the subject of a specific study. Finally, a lightning test campaign on industrial panels will be conducted. Its objective will be to validate at the macroscopic level the hypotheses used for the physical models and to determine their limits. One of the key points of this project is the integration of an arc or arc foot model, whose interaction with the underlying structure during impact has a notable influence on the development of constraints. Taking into account the lightning arc implies the simulation of a fluid medium, with high thermal gradients, high radiation and electromagnetic properties close to that of a conductor [8-9]. This approach greatly expands the disciplinary field of this thesis, from the mechanics of structures to the magnetohydrodynamics of plasmas. The conclusion of this project will be the formulation of the complete theoretical framework, which is essential for the development of an industrial tool for design assistance, coupled with a precisely defined field of use, and prospects for evolution towards even more complex structures such as so-called "honeycomb" structures.