Fabrication composite avancée :principes de base du cintrage des poutres

Avant d'accéder aux matériaux et paramètres qui déterminent la résistance d'une pièce produite avec ATL/ AFP et composites, il est important de comprendre la physique et la théorie derrière les différents aspects qui affectent sa résistance. Dans cette section, nous couvrons 3 concepts qui jettent les bases de pièces ATL/AFP solides.

Beam Bending Basics

Les pièces ATL/AFP sont rarement 100 % en fibre de carbone, car il est avantageux pour les économies de coûts et de matériaux de ne renforcer que les sections qui subissent le plus de force. C'est pourquoi la plupart des pièces composites sont davantage construites comme des sandwichs, les sections les plus externes étant le matériau composite et la structure interne étant le noyau.

L'objectif principal du noyau est d'augmenter la pièce à l'épaisseur souhaitée, sans la construire avec de la fibre de carbone coûteuse. Alors, l'épaisseur de la coque ou la densité du noyau contribuent-elles davantage à la résistance de la pièce ? La réponse provient de la théorie de la flexion simple des poutres.

Le principal point à retenir de la théorie de la flexion des poutres est que les surfaces supérieure et inférieure d'une poutre subissent le plus de force lorsqu'elles sont pliées, et nous pouvons optimiser la résistance d'une poutre pour son poids en ajoutant uniquement du matériau à ces extrêmes, et en utilisant le moins de matériel possible.

Disons que nous avons une poutre simple, comme un pont, soutenue des deux côtés, et le poids est centré entre les supports d'extrémité, comme indiqué dans le schéma suivant.

Image 1 :Un cas de charge de base d'une poutre supportée en deux points, avec un poids au centre

Nous pouvons faire abstraction de ce modèle aux 3 points de contact que le faisceau subit - un pour le poids et deux pour les soutiens. Cela forme un triangle, comme ça, où les points de contact deviennent les sommets.

Image 2 :la simplification des points de contact crée un triangle où la force sera appliquée

Lorsque le poids applique une force à cette poutre, imaginez les forces se répartissant avec cette structure triangulaire. Les deux segments angulaires sont comprimés et le segment horizontal est chargé en tension.

Image 3 :Les forces sont réparties sur les longueurs du triangle

Les forces sont réparties le long du triangle. L'amplitude de la force horizontale dépend finalement de l'épaisseur de la poutre. Au fur et à mesure que la poutre s'épaissit alors que la charge reste constante, les angles de base du triangle augmentent, réduisant la force horizontale résultante sur la poutre. Quand on augmente la poutre, comme ça, on voit que l'angle de force appliqué aux appuis devient plus vertical :

Image 4 :Au fur et à mesure que le faisceau s'épaissit, le triangle grandit. Ainsi la répartition des forces change

À mesure que ces angles augmentent, la force de traction résultante diminue. Cela signifie qu'une poutre plus épaisse sera capable de résister à la force de traction en flexion du poids beaucoup plus facilement qu'une poutre plus mince. Il est de bon sens qu'une poutre plus épaisse soit capable de supporter plus de poids qu'une poutre plus mince, et cette théorie explique pourquoi.

Un aspect lié à la théorie de la flexion des poutres décrit que les charges les plus importantes sur une poutre cintrée sont appliquées à ses extrêmes. Une force de flexion appliquée à une poutre se résout en forces de traction et de compression de chaque côté de ce qu'on appelle l'« axe neutre », le plan d'une poutre auquel aucune charge n'est subie.

Dans ce cas, le matériau sous l'axe neutre est chargé en traction et au-dessus de l'axe neutre est chargé en compression.

Image 5 :Plus l'axe neutre est éloigné, plus la force résultante est importante

Ces informations suggèrent que si l'on optimise une poutre pour sa résistance et son poids, le matériau a le plus grand impact sur les surfaces supérieure et inférieure de la pièce, tandis que la carrure supporte relativement peu d'efforts de cisaillement.

Surtout en ATL/AFP, les charges de traction sont plus importantes et plus faciles à optimiser que les charges de compression, car chaque couche de fibre se comporte comme un toron (nous y reviendrons plus loin).

Cela explique pourquoi les tubes circulaires et caissons, les poutres en I et les poutres en T sont si courants dans la construction ; ils économisent du poids en n'ajoutant de matériau que là où les contraintes les plus élevées sont subies. Un tube circulaire peut supporter une charge de tous les côtés, car peu importe d'où la force est appliquée, il y a deux « surfaces » aux extrémités.

Une boîte peut gérer des charges de quatre côtés car le côté à partir duquel la charge est appliquée a un côté opposé prêt à subir une tension. Cependant, une poutre en I n'est capable de supporter une force extrême que des deux côtés, et de même, une poutre en T n'est efficace que lorsqu'elle subit une charge d'un côté.

Image 6 :Différentes sections transversales de poutres structurelles

Les différents types de poutres coupent le matériau dans différentes zones en fonction de la façon dont elles s'attendent à être chargées. Ainsi, lorsque vous pensez aux pièces en flexion, souvenez-vous de ces deux choses :

• Une poutre plus épaisse est plus résistante qu'une poutre plus fine

• Une poutre en flexion subit les charges les plus élevées sur ses faces

Maintenant que nous avons discuté des bases de la flexion des poutres, cette théorie peut être poussée plus loin en concevant des composants critiques, tels que des ailes d'avion, des mâts de navire et même des châssis automobiles. Une fois qu'une prise ferme est établie, les possibilités des composites sont presque infinies !

À propos d'Addcomposites

Ajouter des composites est le fournisseur du système Automated Fiber Placement (AFP). Le système AFP peut être loué au mois pour fonctionner avec des thermodurcissables, des thermoplastiques, un placement de fibres sèches ou en combinaison avec des imprimantes 3D.