Optimisation de structures tubulaires à paroi mince en matériaux composites laminés

• Main Author: Parenteau, Matthieu
• Other Authors: Drouet, Jean-Marc
• Language: French
• Published: Université de Sherbrooke 2008
• Online Access: http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/1463

Les matériaux composites stratifiés en fibres de carbone sont de plus en plus utilisés dans le secteur de l'aéronautique ainsi que dans les articles de sport haut de gamme. Leur rigidité spécifique et leur résistance spécifique exceptionnelles font en sorte que ce sont des matériaux de choix pour de telles applications. Ils promettent de livrer des performances exceptionnelles en accordant légèreté et rigidité aux produits qui en sont faits. En toute rigueur, l'optimisation structurelle qui a pour objectif de diminuer la masse de ces types de produits est essentielle. Or, pour faire cette tâche, plusieurs entreprises s'appuient sur une démarche basée sur l'expérience à cause de l'absence d'outils disponibles. L'objectif principal du présent travail est de développer une approche systématique pour optimiser la masse du matériau composite stratifié d'un tube à paroi mince dont la sollicitation est définie par un ensemble de forces et d'appuis. Ce mémoire présente la mise en oeuvre de cette approche pour optimiser une structure tubulaire simple en matériaux composites stratifiés. La méthodologie s'appuie sur les algorithmes évolutifs pour trouver l'optimum global, la méthode des éléments finis pour évaluer la résistance de la structure et la théorie classique des matériaux composites pour alléger le traitement des matériaux composites laminés stratifiés par la méthode des éléments finis. La méthodologie est mise à l'épreuve dans trois cas de chargement classiques sur une poutre cylindrique à paroi mince. L'outil numérique qui en découle, oriente les fibres des différentes couches de laminés et distribue ces couches sur la surface du tube, de sorte à diminuer la masse tout en gardant suffisamment de matériau pour résister aux efforts. Ces études de cas sont la poutre cylindrique en porte-à-faux, en tension et en torsion. Pour chacune d'entre elles, les résultats obtenus par l'outil numérique concorde [i.e. concordent] avec les résultats attendus. La méthodologie a démontré une grande aptitude à trouver les valeurs optimales des variables dominantes à l'optimisation de la masse. Concrètement, pour l'étude de cas de la poutre en porte-à-faux, ce sont des gains de masse de plus de 25 % qui ont été obtenus par rapport à un tube optimisé pour le même cas à section constante.