L'ingénierie assistée par ordinateur pour protéger les avions composites de la foudre
Ces dernières années ont vu une forte augmentation de la demande en matériaux composites pour de nouveaux avions, en grande partie à cause de leur rapport résistance/poids. Cependant, l'augmentation de leur proportion s'accompagne de problèmes de conduction électrique, notamment en termes de protection contre la foudre, de décharge d'électricité statique, et de blindage contre les interférences. Les matériaux composites conduisent mal l'électricité, et il faut donc dédier des voies de retour conductrices du courant, comme les réseaux électriques quasiment équipotentiels (ALEEN). Une nouvelle méthode a permis de modéliser les effets de la foudre sur des câblages installés dans des avions équipés de réseaux ALEEN. Dans le cadre du projet ARROW (Aircraft lightning threat reduction through wiring optimization), les chercheurs ont utilisé des outils d'analyse numérique et d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) pour calculer le courant et la tension au niveau de l'équipement induits par la foudre. La caractérisation électromagnétique exacte a permis de concevoir correctement des systèmes électriques comme celui d'interconnexion du câblage électrique, sans faire de nombreux allers et retours vers la planche à dessins. L'outil d'analyse d'ARROW fournit une modélisation précise des pièces ALEEN et des formes 3D complexes, y compris les pièces en matériaux composites qui ont une conductivité finie. Les effets d'impédance, de peau et de proximité dans les feuilles élargies sur des couches composites ont également été pris en compte. Le nouvel outil d'IAO implémente un ensemble de pré et post-traitement ainsi que des fonctionnalités de gestion adaptées pour entrer les données de modélisation et préparer le modèle électromagnétique. Même si la réalisation d'une analyse électromagnétique sur un modèle comprenant toutes les structures d'avion et les câbles est possible, une procédure de couplage champ à câble hybride peut permettre d'utiliser un modèle plus simple et faciliter l'analyse paramétrique sur le câblage interne. ARROW a mis en œuvre cette technique, résolvant le modèle électromagnétique 3D des éléments structurels via une méthode d'onde complète sans considérer explicitement les câbles et effectuer une analyse de réseau de transmission à conducteurs multiples sur le faisceau de câbles. Une attention particulière a été consacrée à l'évitement du problème de la répartition basse fréquence provenant du résolveur électromagnétique de l'équation intégrale typique. En particulier, les chercheurs ont utilisé une formulation qui sépare le courant électrique et les inconnues de la charge, alors qu'un modèle discret de patchs triangulaires de la structure a permis une simulation haute fidélité. L'aérospatiale continue à chercher comment réduire le poids des avions, et l'usage de matériaux composites apporte un ensemble d'avantages notables en termes de consommation de carburant et de réduction des coûts de maintenance. Mais de tels avions sont plus sensibles aux impacts de foudre, aussi ce nouvel outil devrait réduire et contrôler les risques associés, améliorant la sécurité des vols.
Mots‑clés
Ingénierie assistée par ordinateur, avion composite, foudre, réseau électrique, modèle électromagnétique
