SMARTCOMPOSITE, Analyse et conception de structures composites à rigidité variable
Description
Projet Région (porté par Anita Catapano et Marco Montemurro, géré par BdxINP) SMARTCOMPOSITE (septembre 2016 – juillet 2020) nous permettra de lancer officiellement au sein de I2M un nouveau sujet de recherche: l'analyse et la conception de structures composites à rigidité variable
Objectifs
Ce projet de recherche vise à développer une méthodologie originale pour l’étude, la conception et l’optimisation multi-échelle de structures composites à rigidité variable (CRV).
Parmi les différentes solutions existantes permettant de concevoir des composites à rigidité variable (CRV), la plus intéressante est celle caractérisée par l’empilement de plis renforcés par fibres curvilignes et fabriqués avec des nouvelles technologies de fabrication (p. ex. machines pour le placement de fibres automatisé – PFA). Si d’une part ces solutions compliquent aussi bien la caractérisation de la réponse mécanique que le processus de conception d’une structure composite, d'autre part elles offrent des performances nettement supérieures par rapport aux solutions classiques avec un gain en masse important.
En termes de rayonnement scientifique ce projet a permis aussi la mise en place d’une collaboration/partenariat avec deux universités étrangères: le Polytechnique de Turin et l’Université de Pise (Italie).
Résultats
Les résultats scientifiques disponibles aujourd’hui font partie des travaux de recherche réalisés par A. Catapano et M. Montemurro [1-2] qui ont contribué à l’obtention du financement du projet SMARTCOMPOSITE. Ces résultats ont servi d’appui pour montrer les compétences des porteurs du projet et l’efficacité des méthodologies mises en place.
Plus précisement, ces travaux de recherche ont permis de développer une méthode de conception et d’optimisation multi-échelle caractérisée d’une part, par le refus total de toute hypothèse simplificatrice et/ou règle métier classique caractérisant le processus de conception des matériaux composites et, d’autre part, par une formalisation appropriée du problème de conception à toute échelle (micro-méso-macro). De plus, cette méthode permet de : 1) séparer et analyser l’influence sur la réponse mécanique de la structure (échelle macroscopique) des variables géométriques (orientations, épaisseurs, etc.) de celles matériaux (propriétés élastiques du pli de base) et 2) séparer le problème de conception optimale de la structure (échelle macroscopique) de celui de la recherche des stratifications (échelle mésoscopique) et de la conception du matériau (échelle microscopique).
Après avoir résolu le problème d’optimisation à l’échelle macroscopique, il est possible de formaliser et résoudre en cascade le problème de conception du composite aux échelles inférieures en recherchant les empilements optimaux qui satisfont les spécifications du cahier des charges de l’application considérée (en termes de rigidité, résistance, fréquences propres, charge critique de flambement, etc.). Plus en détail, les références [1-2] portent sur un nouveau paradigme de conception, basé sur une stratégie multi-échelle à deux-niveaux, qui a été développé et appliqué à la conception et l’optimisation de structures composites à fibres curvilignes propres du domaine aéronautique (p.ex. les panneaux raidis).
M. Montemurro, A. Catapano. A New Paradigm for the Optimum Design of Variable Angle Tow Laminates. Chapter in Variational Analysis and Aerospace Engineering, A. Frediani Editor, Springer Publisher, pp. 375-400, 2016. ISBN : 978-3-319-45679-9
M. Montemurro, A. Catapano. On the effective integration of manufacturability constraints within the multi-scale methodology for designing variable angle-tow laminates. Composite Structures, 161 : pp.145-159, 2017 DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.11.018
Figure 1. Données de la solution de référence (empilement utilisé dans applications aéronautiques) et de la solution obtenue après l’optimisation
Figure 2. Séquence d’empilement optimale (les 4 premiers plis) de la peau du panneau raidi