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High Cycle Fatigue Prediction Methodology for Fibre Reinforced Laminates for Aircraft Structures in CROR Environment – Development and Validation

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Test de composites pour les moteurs d’aéronef de nouvelle génération

Les matériaux composites sont de plus en plus employés dans la conception de composants d’aéronef. Le rotor ouvert contrarotatif en cours de développement constitue une illustration récente de cette tendance. Des tests et modélisations structurels rigoureux permettront d’assurer un comportement sûr du matériau dans ces remarquables nouvelles architectures de moteur.

Transports et Mobilité
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Qu’il s’agisse des opérateurs ou des fabricants, tout le secteur aérospatial partage les mêmes objectifs clés: la réduction de la consommation de carburant, la limitation des émissions nocives et la diminution du bruit. Partie intégrante du programme «Sustainable and Green Engines» de Clean Sky, le démonstrateur à rotor ouvert constitue une nouvelle architecture de moteur doté de deux soufflantes contrarotatives non blindées. Conçu pour propulser les générations futures de jets commerciaux à couloir unique, le rotor ouvert a pour but de réduire la consommation de carburant et les émissions de CO2 d’environ 30 % par rapport aux moteurs CFM56 actuels. Le projet HEGEL, financé par l’UE, a été mis en place pour soutenir le processus de conception de cette nouvelle configuration d’aérostructure, en proposant des capacités et des procédures d’évaluation avancées en matière de matériaux composites. «Globalement, notre principal objectif était de développer des outils de test avancés, à la fois virtuels et expérimentaux, afin d’évaluer la capacité des composites stratifiés à gérer la charge dynamique et vibratoire, dont l’excès peut provoquer des dommages d’usure aux composants», remarque Damaso De Bono, coordinateur du projet HEGEL.

La pollution sonore, une préoccupation majeure

Les niveaux sonores générés par le système à propulsion constituent un défi de taille pour les moteurs d’aéronefs à rotor ouvert. Cela vient principalement du fait que les lames rotatives sont exposées et leur bruit non atténué par le carter de soufflante et la nacelle (comme c’est le cas sur un turboréacteur). «L’une des solutions à ce problème consiste à utiliser les moteurs à rotor ouvert comme hélice propulsive, avec des rotors et des moteurs montés à l’arrière du fuselage. Une telle configuration nécessite d’importantes modifications dans l’architecture d’aéronef actuelle, ainsi que des tests approfondis sur l’intégrité structurelle», explique Damaso De Bono. Des chercheurs du NLR (Netherlands Aerospace Centre), un des partenaires impliqués dans le projet HEGEL, ont mis au point un système unique de source et d’amplification du son qui a été soumis à une série d’essais au sein des installations de test de l’Institut Fraunhofer de physique des bâtiments. «Le système de pointe évalue la réponse de composants et de matériaux structurels à différentes pressions acoustiques et aux vibrations associées généralement présentes dans les environnements de moteurs, comme pour le rotor ouvert contrarotatif», explique Damaso De Bono. «Des essais en laboratoire pourraient éviter de recourir à des tests coûteux à grande échelle, au moins aux premières étapes du processus de conception des composants structurels». Le matériel est composé de huit haut-parleurs connectés à un nombre équivalent de tubes servant à guider les ondes sonores, tous configurés de manière symétrique et sécurisés dans un coffre isolé aux niveaux acoustique et thermique. L’une des façons de tester le prototype de composite stratifié consiste à utiliser une plaque plane de 500 x 500 mm recouvrant l’ouverture. Par la suite, le système sonore est activé, ce qui crée une pression sonore sur la plaque. Les niveaux de pression sonore peuvent varier selon les exigences spécifiques au test.

Un cadre de prévision de résistance à l’usure

«Les outils numériques et informatiques actuels de prévision de la fatigue polycyclique ne sont pas totalement validés pour des applications aérospatiales et ne tiennent compte que d’un nombre limité de paramètres», observe Damaso De Bono. HEGEL approfondit les méthodologies de prévision de l’usure existantes en introduisant des paramètres environnementaux supplémentaires (par exemple, température, humidité) et des facteurs dépendants apparaissant à des fréquences élevées (par exemple, des effets d’auto-échauffement) pendant la fatigue polycyclique. Les outils de prévision nouvellement créés abordent l’étude de la fatigue polycyclique via une méthode semi-empirique basée sur des courbes maîtresses et des facteurs de recalage, ainsi que des modèles avancés à éléments finis. «Nos nouveaux outils de test et d’évaluation peuvent considérablement améliorer l’efficacité des méthodes d’évaluation de l’intégrité structurelle des matériaux composites dans les pièces d’aéronefs durant le processus de conception», conclut Damaso De Bono. Globalement, les résultats du projet constituent une étape importante vers le développement des futurs moteurs d’aéronef et leur intégration au sein des nouvelles architectures d’aéronef.

Mots‑clés

HEGEL, rotor ouvert, matériaux composites, prévision de l’usure, pression sonore, rotor ouvert contrarotatif, fatigue polycyclique

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